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百舸争流千帆竞

————哈工大与中国机器人
 
作者:刘培香
 
  机器人——一个让无数人感到神奇又充满幻想的科技精灵,曾经无数次出现在小说、影视剧的虚拟世界里,出现在孩子们的幻想王国中。然而,对于神奇的机器人,直到21世纪的今天,仍有不少人感到遥不可及。其实,我们的身边就存在着一个神奇而又真实的“机器人世界”。 
  让我们一起走进哈工大的机器人王国,走进一个个具有传奇色彩的人物和故事——
  胖鼻子、大耳朵、金头发,我国首台面带拟人化表情的机器人“百智星”憨态可掬,成为儿童智力启蒙、性格塑造开发的好伙伴;灵活的“双手”又拽又推,左右移动,三五分钟便“搞定”病人,不怕X光射线的医用整骨机器人技高一筹,帮助患者整骨复位的准确率和成功率达100%;眼观六路,闪转腾挪,带球、进球,我国首个双足类人足球机器人潇洒地驰骋在“绿茵场”上,为中国捧回了世界冠军杯……
  这几款具有自主知识产权的机器人,只是哈工大机器人大家庭中近期诞生的几位成员。多年来哈工大机器人曾经吸引了无数人的眼球,填补了多项国家空白。自1985年我国自行设计的第一台华宇弧焊机器人和点焊机器人在哈工大诞生以来,哈工大一直引领中国机器人技术的最新潮流,到目前已经研制出了具有自主知识产权的码垛机器人、管道机器人、爬壁机器人、智能服务机器人、医疗机器人、微小机器人等数十种应用于不同领域的机器人,哈工大机器人家族可谓人丁兴旺。
  “运行良好,操作、维修方便”,“皮实、好用、能摆弄”,提高了国产轿车焊接技术水平及焊接质量,哈工大研制的系列焊接机器人在解放牌汽车、红旗轿车等生产线上成功应用后,得到了用户的高度评价。在2004年度国家科学技术奖中,哈工大“机器人焊接空间焊缝质量智能控制技术及其系统研究”获得国家科技进步奖二等奖,标志着我国具有自主知识产权的焊接机器人技术达到了新的水平。
  机器人码垛生产线是哈工大机器人家族中成长最快、目前最成熟的成员之一。从600型(600袋/小时)到1600型(1 600袋/小时),哈工大自主研制的全自动包装码垛生产线不断推陈出新,实现了6次跨越,并在北京燕山石化、上海石化等企业大有作为,创造了巨大的经济效益和社会效益。
  哈工大研制成功的我国第一台遥控壁面爬行机器人、磁吸附多功能壁面爬行机器人等,在检查核废液储罐安全及代替人在恶劣的环境中为储油罐喷漆等领域中大显身手。在中国社会发展成就展览会上,江泽民主席、李鹏总理等党和国家领导人兴致勃勃地观看了遥控壁面爬行机器人的表演,李鹏总理还亲手操作试验,鼓励哈工大在科研中取得新成绩。
  在哈工大机器人研究所,你还可以看到能用多国语言致词或讲解的导游机器人、迎宾机器人,会“唱歌”并随着音乐起舞的乐队指挥机器人,能遥控行走、自主避障为病人倒水送药的移动服务机器人……哈工大三代智能服务机器人已经分别在黑龙江科技馆、沈阳科学宫、东莞科技馆等单位上班,从事着导游、迎宾、教学等工作。工作单位最远的一位“翻译机器人”,已于2004年走出国门远渡重洋在英国艾塞克斯大学安家落户。
  从“高处不胜寒”到“第一次亲密接触”,哈工大研制的众多具有自主知识产权的机器人让高科技“走下神坛”,以亲切的面孔飞入寻常百姓家。机器人清洗工“蓝色超人”在高楼墙壁上如履平地,喷雾、刷洗、刮擦依次进行,让“灰头灰脑”的大楼很快焕然一新;形象活泼可爱的智能机器人玩具——“菲罗”智能机器狗,让人们领略了高科技带来的娱乐魅力;只需按一下遥控器下达指令,智能吸尘机器人就开始瞪大“眼睛”打扫地面,不停转动地板刷把地面上的灰尘全部填进“肚”子里;除了唱歌、跳舞、背诗、会话,机器人原来还会行云流水般地写下漂亮的毛笔字,还能模仿孙中山先生声情并茂地发表演讲……
  哈工大机器人,与中国机器人事业一同成长,一同辉煌,一同谱写着壮丽雄浑的激情乐章。
 
 机器人模拟孙中山先生演讲
 
  焊接机器人:为机器装一双“慧眼”
 
  机器人作为人类20世纪最伟大的发明之一,在短短不到50年的时间里发生了日新月异的变化。机器人不仅成为先进制造业不可缺少的自动化装备,而且正以惊人的速度向海洋、航天、军事、农业、服务和娱乐等人类科研、生产、生活的各个领域渗透。
  1985年,在北京军事博物馆举行的全国科技成果展览会上,哈工大主持研制的我国第一台“华宇一型” (HY-1型)弧焊机器人摆上展台,引起了国内外科技界人士的关注。香港报纸发表的《人造卫星机器人同时亮相》的报道,更增加了这一新闻的轰动效应。
  早在机器人研究所成立之前,航天部领导就批准了哈工大开展机器人研究工作的立项,那是1983年的事。而在得到航天部批准两年后,蔡鹤皋教授、吴林教授等就与风华机器厂协作,自行研制成功了我国第一台弧焊机器人“华宇一型”焊接机器人,并于1986年2月21日通过航天工业部鉴定。鉴定委员会一致认为:“华宇一型”机器人是在时间短、起点高、立足国内关键元器件的基础上研制成功的一台比较完整的弧焊机器人系统,包括本体、控制器、示教盒和3种焊接系统,是我国自行设计的第一台弧焊机器人。焊机的控制技术在国内外是创新的,微机控制的焊接电源同机器人联机和示教再现功能为国内首次应用;重复定位精度、动作范围、焊接参数数据控制精度、负载等主要技术指标接近或达到了国际同类产品水平。鉴定委员会成员们对机器人表演的红外视觉和声控语音识别系统等功能表示了赞赏。
  可以说,如果没有1986年之前的抢先占领阵地和3年的技术攻关,也不会有今天的丰硕成果。今天来看,哈工大的举措无疑是高瞻远瞩之举。
  众所周知,焊接是工业制造的基本工艺,也是工业机器人应用最重要的领域之一。传统的手工焊接操作是非常辛劳的工种,用机器代替人工焊接成为焊接人的梦想,采用机器人焊接已成为焊接自动化技术现代化的主要标志。随着现代社会的发展,产品质量、生产效率、劳动条件、环境保护要求不断提高,实现焊接自动化与智能化已成为迫切需要。至于空间站、核环境、深水条件下的焊接作业,更需要使用智能化的焊接机器人。
  所以焊接机器人一问世,就吸引了无数业内外人士的眼球。也就在1985年的展览会上,原航天部领导刘纪原多次和哈工大负责机器人研究工作的吴林、蔡鹤皋教授商谈,如何在部内形成工业机器人产业。部领导的主张立刻得到了哈工大和风华机器厂、星光机器厂等单位的支持。1986年,哈工大机器人研究所正式成立,与此同时,在航天部系统组成了协作网,哈工大为技术抓总单位。
  在国内机器人研究很不景气、一些起步较早的研究所纷纷下马改行的时候,原航天部领导以远见卓识支持哈工大机器人研究工作,从而使哈工大后来居上,成为国内研究机器人技术实力最强的单位之一。
 
 蔡鹤皋院士和吴林教授在研究焊接机器人
 
  机器人研究所成立前后,同时开展了多种型号的机器人研究工作,与机器人配套的关键部件,如谐波减速器、特种电机等也开始研制。为了充分发挥机器人的技术优势,星光机器厂还建立了机器人焊接生产线。几年内,弧焊机器人、点焊机器人、机器人工作站、具有挠性手腕的喷漆机器人、培训焊接技术人员用的焊接机器人相继问世。
  1988年,由哈工大王炎教授、孙迪生教授等与大庆焊接研究与培训中心合作研制的“大庆一号”弧焊机器人,经在大庆焊接研究与培训中心的试用,各部分工作协调,传动精度高,运行平稳,焊缝质量良好,达到了预定的精度指标,并于1988年2月2日通过黑龙江省科委鉴定。该机器人重复定位精度达到+0.187 mm,最高运动速度达到1.49 m/s,并具有良好的低速平稳性,控制系统采用二级计算机并行处理,功能较强,主要技术指标达到了20世纪80年代初期国外同类产品水平,整机属国内先进水平。
  同时,哈工大与风华机器厂、航天部二院17所协作的“华宇二型”弧焊机器人、“华宇一型”点焊机器人,以及与811厂、706所、502所协作研制的“东方一型”喷漆机器人于1998年11月4日通过航空航天部主持的鉴定。新研制成功的弧焊、点焊两种机器人各生产4台,有7台装配到星光机器厂汽车焊接生产线上。先进的生产技术很快显示了它的优越性,用在星光机器厂汽车驾驶室焊接生产线上的弧焊机器人、点焊机器人,使产品的一次成品率由过去的70%提高到近100%,仅返修费一项,每年就可为国家节约1 000万元资金。生产实践证明,焊接机器人性能稳定,焊接质量明显优于人工焊接。鉴定委员会认为:弧焊机器人本体采用了谐波传动的关节结构,焊接系统采用了焊接电压模拟控制和电网电压波动的补偿电路,有较强的适应性和抗干扰能力。点焊机器人具有完整的控制和汉字显示功能。“东方一型”喷漆机器人有6个自由度,自行设计的挠性手腕、分离活塞油缸,独立研制的控制软件为国内首创。3种型号的工业机器人的主要技术指标,达到20世纪80年代初国际同类产品水平,对发展我国工业机器人做出了贡献。
  同期,由张铨教授等研制的基于FORTH的机器人控制语言RFCL-2被鉴定为国内首创。同行专家认为这种语言适用于六自由度喷漆机器人控制语言。该语言运行速度快,具有良好的拓展性和可读性,且是易为编程的控制语言;不仅可立即执行,而且可编译执行。经适当修改,还可用于其他机器人,并可逐步开发,形成系列软件产品。这项研究在国内处于领先地位,其设计思想符合现代计算机控制中人机界面的发展趋势。研究成果对发展我国机器人技术及其应用有重要意义。
  在国家攻关计划和“863计划”的支持下,由蔡鹤皋院士主持,哈工大和沈阳自动化所与一汽集团联合,自1995年4月开始合作开发工业机器人和实施机器人应用工程,在经历了一系列的攻关和拼搏之后,先后完成了10公斤、30公斤点焊机器人,并于1996年7月15日制造成功了“HT-100A点焊机器人”(100公斤点焊机器人)。 1998年2月,第一台上线应用于解放牌卡车的后风窗点焊;1998年5月,第二台上线应用于红旗轿车焊接线上。1999年7月15日,国家“863”计划智能机器人主题专家验收通过了 “HT-100A”型点焊机器人。
  根据HT-100的设计经验,哈工大又研制出了120公斤点焊机器人。120公斤点焊机器人是以一汽红旗轿车车身焊装生产线为应用背景,瞄准国际上典型机器人产品技术性能开发的一种具有先进性、可靠性的实用机器人产品。该机器人具有工作空间大、运动速度快和负荷能力强等特点。机器人设计结构紧凑,外观宜人,运动平稳快捷,大大地提高了点焊作业的生产率。
  一汽二轿厂使用6台点焊机器人焊接全新红旗轿车前、后风窗洞,左、右侧围门洞,三角窗洞,提高了国产轿车焊装技术水平及焊接质量。一汽长轻厂两条后桥弧焊机器人生产线使用了11台机器人,后桥焊缝熔核成型好,解决了久攻不破的后桥渗漏质量难题,产品基本实现免检,而且劳动效率、生产能力都取得了大幅度的提高。这是我国首次大规模的国产机器人示范应用工程,实现了难得的跨越。从中,我们积累了大量的实践经验,包括产品定位选型、关键技术攻关、重大项目的流程规划与组织管理、解决应用工程的技术细节与瓶颈等。
  多年来,哈工大在国家重点科技攻关项目“工业机器人产业化开发”等研究中取得了突出的成绩,所研究的点焊和弧焊机器人获得了“2001年汽车工业科技进步一等奖”,为促进我国工业机器人的产业化做出了贡献。
  2001年12月,一种腰、肩、肘、小臂、腕、五指均能自由活动的轻型工业机器人在哈工大研制成功,使焊接产业又添现代化助手。该机器人采用纯关节结构,如同人的一个臂膀一样,可以伸向任何一个方向自主工作,由于最大负载6公斤,因而也称6公斤六自由度弧焊机器人。它具备自动寻找焊接起始点、自动跟踪焊缝和多层焊接等功能。机器人的离线编程和离线仿真等特征使其工作范围更大、运动更灵活、重复定位更精确。它的问世使汽车和摩托车制造、工程机械制造以及锅炉、家电等行业的焊接效率和质量大大提高,稍加改型后还可用于搬运、涂胶、装配等工作。用户对该机器人给予了这样的评价:机器人运行良好,操作、维修方便,“皮实、好用、能摆弄”,提高了生产效率。
  为了使六自由度机器人更加方便、快捷地应用于更大的范围,哈工大机器人研究所还研制成功了便携式机器人,可实现六自由度弧焊机器人的全部功能,同时可作为通用机器人完成其他工作,可任意位置安装。机器人本体自重30千克,便于拆装携带。便携式机器人可以作为一个流动的焊接机器人到不同的场所进行作业,特别是在一些工作空间狭小、周围环境恶劣、工人无法作业的地方。此外,它还可以作为机器人销售部门的有力助手到各地去作焊接培训,也可以在腕部安装其他工具随时随地进行各种作业。
  近年来,焊接机器人的“娘家”——哈工大焊接国家重点实验室一直瞄准智能化焊接方向,取得了重大进展。实验室先后开发了具有完全自主知识产权的弧焊机器人系统,该系统具有体系结构及控制算法开放性和扩展性的显著特点,完成了全开放式九自由度弧焊机器人技术,突破了国外工业机器人的“黑箱”结构以及对用户的限制,掌握了焊接机器人的核心技术。同时,他们还研制成功了任务级的机器人离线编程及仿真系统。该系统能够根据工件的焊接要求自动生成焊接路径、焊枪姿态和焊接参数,并在某火箭发动机部件上得到应用。该技术突破了国际上离线编程系统都是执行级的限制,处于国际先进水平。
  在机器人焊接技术的传统优势基础上,实验室提出了机器人焊接柔性加工单元的新概念,把九自由度弧焊机器人系统、高精度焊接电源系统、激光扫描跟踪系统、熔透控制系统和任务级的离线编程与仿真系统集成为焊接柔性加工系统。在中央控制计算机的统一调度下,能够实现具有一定智能的空间焊缝的焊接加工,实现了初步的智能焊接。以这一技术为核心的“机器人焊接空间焊缝质量智能控制技术及其系统研究”项目,得到了国家自然科学基金的重点支持。2001年6月,该项目通过了国家自然科学基金委主持的技术鉴定,鉴定意见为该自主知识产权焊接机器人柔性加工单元系统总体达到国际先进水平,大部分科学与关键技术创新达到国际领先水平,被基金委评为A级项目, 并在鉴定当年获得中国高校科学技术一等奖。
  在吴林教授的带领下,课题组对现行焊接机器人柔性化与智能化这两个关键技术展开研究,在焊接机器人的核心技术、集成技术和机器人智能焊接的结合方面取得了重要进展,研制出了具有自主知识产权的初步智能功能的焊接柔性制造单元。该系统在弧焊机器人任务级自主规划与仿真、激光扫描焊缝识别及高精度跟踪、基于视觉传感的焊缝成形质量智能控制、基于熔池谐振信号检测的熔透实时控制等领域实现了关键技术进步,从而先后获得2002年度国防科技进步一等奖和2004年获国家科技进步奖二等奖。该项目关键技术的研究成果已经在某些航天装备焊接生产中获得了成功的应用,标志着我国发展具有自主知识产权的焊接机器人技术所达到的水平,对推动智能化机器人焊接技术进步具有重要作用,同时也表明中国通过发展智能化机器人焊接技术的途径进入世界先进行列是完全可能的。
 
  机器人灵巧手:“天上人间”显神通
 
  在哈工大机器人研究所,你可以看到神奇的一幕——在一架钢琴上,一只金属手用像人一样灵巧的手指弹出美妙的音乐;它还可以轻松自如完成开抽屉、按开关、抓鸡蛋、摆积木等一系列“高难”动作,甚至还可以灵活地做出“OK”的手势。
  由哈工大机器人研究所、机器人与机电一体化研究所研制出的新一代机器人灵巧手,在问世之初就立即引起轰动,并一直吸引着人们关注的目光。
  机器人多手指灵巧手的研究属国际前沿课题,而HIT/DLR机器人灵巧手则是我国正在发展中的智能太空机器人的关键技术部件之一。它可以代替宇航员在恶劣危险的太空环境中进行一些复杂的作业,可以安装在太空智能机械臂上,独立到舱外进行一些长时间的困难而危险的维修、安装作业,而无须单靠宇航员经过几个小时的准备后冒着生命危险去从事。机器人灵巧手在地面状态下的用途也很重要。它可以为人工智能、遥操作以及抓取规划等方面的科研工作者提供良好的实验平台;还可以成为一些地面机器人的手,在核、生、化环境中从事探测、取样、装配、修理作业等,具有广阔的应用空间。
  1999年,哈工大在实施国家长江学者计划中,首次将在世界著名的德国宇航中心机器人研究实验室工作的刘宏博士聘为特聘教授,并于2001年组建了“德宇航-哈工大(HIT/DLR)联合机器人实验室”,开始了仿人灵巧手研究。该项目先后获国家自然科学基金、国防科工委专项研究基金和“863”项目资助。仿人灵巧手的手指驱动机构、传感器驱动电机等均为该实验室自行研制,已获多项国家专利。
  刘宏教授自1991年至1999年在德国宇航中心机器人及机电一体化研究所主持研制成功了迄今为止世界上最为复杂、智能化程度最高的多传感器、多关节、四手指机器人手“The DLR Hand”。在1998年德国汉诺威国际工业博览会上,该机器人手成功实现了由汉诺威到慕尼黑通过数据手套的远程遥控服务作业。该研究首次提出了基于关节扭矩的在手指尖任意直角坐标系的不同坐标上具有可编程阻抗参数的概念,这一概念是实现仿人手稳定抓握的关键。
  1999年至2001年,刘宏教授带领课题组,承担了国家“863”项目“具有多种感知功能的仿人机器人灵巧手及远程遥控作业的研究”,研制成国内第一个具有多种感知功能的仿人机器人灵巧手,于2001年通过专家组的验收并通过鉴定。鉴定委员会认为该研究成果达到了国际先进、国内领先水平。中国工程院院士封锡盛认为,这项研究填补了我国在具有力矩、位置、温度、指尖力等多种传感器功能的仿人灵巧手方面的空白。这项成果还被两院院士评比为2002年全国十大科技进展30项候选项目之一。
  2002年,刘宏教授带领课题组独立研制的“宇航服关节阻尼力矩机器人测试系统”通过国家验收。该系统为宇航服的设计、加工提供可靠的参数,其研究成果填补了国内空白,达到国际领先水平。宇航服关节阻尼力矩测试是宇航服设计、加工过程中一项世界前沿的难题。刘宏主持的课题组利用被动机器人的测量原理,将多维力/力矩的传感器与测量系统融为一体,巧妙地实现了在不改变宇航服任何结构的状态下检测它的各关节阻尼特性及关节之间的相互干扰特性。同时,利用基于SGI的三维图形仿真技术,使整个模型的建立过程及测量过程非常直观逼真。课题组在一年半的时间里完成了对此项课题的攻关,其设计、加工、调试均一次完成。“宇航服关节阻尼力矩机器人测试系统”操作简便,技术安全性、可靠性高,质量与价格比优异,将大大提高舱内、舱外宇航服设计、测试系统的科学化、规范化程度。该系统还可准确测量空间三维位置变化,对不规则物体进行准确的空间描述和三维重新构造,可应用于汽车等行业,具有广阔的应用前景。
  自2003年开始,刘宏教授与德国宇航中心合作,基于“机构、驱动、感知、控制一体化”和模块化思想,研制成功了新一代HIT/DLR多指仿人灵巧手及其改进手,分别在2004年第一届和2006年第二届慕尼黑国际机器人及自动化展览会上成功展出。展览期间,HIT/DLR机器人灵巧手以其精美的外观、可靠的软硬件系统等赢得了众多参观者的赞赏。灵巧手可靠运行,或做出各种手势,或通过手指之间的配合转动小球体,并通过快速连接器安装到DLR III轻型臂上工作,表现出了很好的灵活操作能力,得到参观者和同行的好评,并有部分公司和研究院所对该灵巧手产生了浓厚的兴趣。
 
刘宏教授(左三)与他的团队一起在研究机器人灵巧手
 
  HIT/DLR机器人灵巧手是双方基于DLR Hand II手共同研制开发的新一代多传感器、高度集成的机器人灵巧手。该灵巧手有4个手指,13个自由度,每个手指有4个关节、3个自由度,拇指另有一个开合的自由度;共有机械零件600多个,表面粘贴的电子元器件1600多个,传感器89个;手的尺寸略大于人手,整体质量1.8千克,小于国内外的同类机器人灵巧手。HIT/DLR 机器人灵巧手手指结构与人手结构相同,每个手指有四个关节,由3个电机驱动,每个手指能提起1千克的重物。为了分别进行精确抓取和强力抓取,拇指有一个旋转关节。该灵巧手能够实现基于数据手套的远程遥控作业。
  HIT/DLR机器人灵巧手具有多种感知、集成化、模块化、数字化以及实时控制等特点。课题组采用机电一体化设计方法,所有的驱动、传动、传感及电气系统等都集成在手指或手掌内;灵巧手的系统结构及关键部件的选型等使灵巧手的小批量生产、进行商品化转换成为可能。参展归来,该灵巧手在国内通过了由中国工程院王天然院士、叶声华院士、姜文汉院士等专家组成的鉴定委员会的鉴定。鉴定委员会一致认为,“该灵巧手在驱动内置型灵巧手领域达到国际领先水平”。到目前为止,已经有5套仿人灵巧手销往德国,1套销往美国。
  2006年4月,刘宏教授领导的课题组研制成功了“基于MEMS的微型六维力/力矩传感器”。该传感器的直径为20 mm,高度为16.6mm,它可以检测作用在传感器上的三维力和三维力矩信息。该传感器采用全平面的微型弹性体结构,基于MEMS技术实现应变片的全自动粘贴和激光阻值校正;采用表面贴装元件设计高性能的信号处理电路,基于微型的数字信号处理器实现信号的采集、解耦和标准数字化输出,信号处理电路和微处理器电路全部放置在传感器的本体中。该传感器具有微型化、集成化、智能化和数字化的特点。课题组成功地把微型六维力/力矩传感器用于HIT/DLR灵巧手,并且进行了多种灵巧操作实验。研究成果已被授权一项国际发明专利。
  2006年5月,哈工大机器人研究所牵头研制的“机器人系统空间机械手系统”通过“863”专家组验收。该空间机械手系统在空间站搭建、卫星故障修复、空间舱内科学实验、深空探测等空间作业领域及核工业等危险作业环境方面具有较大的推广应用价值,从此,危险作业有了新帮“手”。
  为了更好地完成该系统的研究,哈工大成功研制了空间机械手系统原型样机。该样机包括6自由度可折叠机械臂、手爪、中央控制器和支撑锁紧机构。关节采用模块化设计方法,集机构、驱动、传感和控制为一体,采用大中心孔设计方法实现机械臂的内部走线,以消除空间环境对导线及其传输信号的影响;空间机器人手爪具有高刚度、大夹持力、快速闭合、大捕获范围以及准确的捕获位姿精度等特性。该项目共申请国家发明专利10余项。  
  “哈工大的校园、实验室都非常棒。”德国宇航中心(DLR)机器人与机电一体化研究所所长、哈工大荣誉教授黑辛格在参观了哈工大校园和机器人研究所后,非常高兴地说。这位通过刘宏教授而与哈工大有着10多年异国情缘的知名学者,由衷地赞叹哈工大机器人的科研水平,尤其是对智能机器人、微机器人系统等给予了很高的评价。对于多年来与哈工大的合作,黑辛格教授认为是“非常愉快、非常有效、非常成功的”。“机器人技术前景非常广阔,我们将会加强双边科学家的交流,扩大合作空间,使机器人灵巧手的应用从太空领域走向生活服务领域。我相信我们的合作前景是非常美好、非常值得期待的。”黑辛格教授对未来的合作充满信心。
 
  智能服务机器人:高科技飞入寻常百姓家
 
  “你好,欢迎光临!”
  “我叫青青,我今年一岁了……”
  站在这些和你身高差不多的迎宾机器人面前,和他进行一场有趣的对话,你的心情是不是会变得轻松愉快起来?
  如果你想见见这些可爱的机器人朋友,那么就请到机器人研究所三楼。这里有不同身高、不同相貌的多款智能服务机器人,一定会让你耳目一新、大饱眼福。
  智能机器人是指能够根据周围环境的变化而做出反应,并随之进行动作的智能化机器。这一词来自1920年捷克作家卡佩克的《罗萨姆的万能机器人》,剧本中创造了新词“ROBOT”,当时有“奴隶”的意思,今天,智能机器人已成为人类的好帮手。如,他可以通过音响系统播放音乐;运用手臂、头、眼睛和腰部完成多种动作组合,实现乐队指挥功能;并具有一定的语音功能,可以唱歌、背唐诗等;还可以配合一些动作表情,实现展示场景的解说、讲解、迎宾致词等功能。而哈工大机器人研究所研制出的移动式作业型智能服务机器人,突破了移动机器人系统集成、嵌入式驱动控制器、基于多传感器信息融合的移动机器人定位、路径规划、自主避碰、环境感知、基于视觉的智能机器人行为控制等关键技术,在导游、迎宾、指挥、服务等领域及公共场所得到了广泛应用。哈工大智能服务机器人曾多次参加大规模、高级别的展会,如上海科技博览会、深圳高交会、“863”十五周年成就展、广交会、北京科技周等,吸引了众多媒体及各界人士的目光,成为展会焦点,并且成功地运用到了各大科技馆、大型集团和企业当中,获得用户一致好评。
  1996年11月26日,由哈工大机器人研究所研制的我国首台智能型导游服务机器人在哈工大邵馆与观众见面,《黑龙江日报》等5家地方报纸、黑龙江省电视台与中央广播电台纷纷报道了这一消息。12月1日,这台机器人运往巴西,参加12月4日在那里举行的1996年中国高技术博览会。这台机器人外形像“外星人”,身高1.1米,体重17公斤,在平坦区域每秒可行走120厘米,起名“小萝卜头2号”。它依靠装在头上的超声波、红外传感器与光电开关识别环境,选择行走路线或避开障碍。它能识别是人还是物,如果是人,可发出“请让开”的声音,若让开,它会说声“谢谢”;如果人不让开,或遇到障碍物,它自己也可以绕开。它能按照需要,用汉、英、俄、日等多国语言致辞或做导游讲解。它既可自主控制,也可遥控行走。这台机器人的主要研制人王树国教授说,它的用途有两方面,一是为大专院校机电一体化专业学生提供典型的实验样机,二是为商业、服务业、展览馆提供导购、导游及招徕顾客服务。国外这类机器人很多,国内也有广阔的应用前景。
  不久,哈工大正式推出了第一代智能导游机器人——DY-I型导游服务机器人。该机器人由伺服驱动系统、多传感器信息避障及路径规划系统、语音识别及语音合成系统组成。导游机器人由蓄电池供电,可连续运行4小时,在一定的环境下可自主行走,并且能识别出障碍物是人还是路障,做出不同的反应,遇到人时机器人会说:“您好!欢迎您来到机器人世界。”游客通过语音识别系统可以和机器人进行简单的对话。第一代导游机器人已经“就职”于中国科技馆,而第二代导游机器人则增加了多媒体功能,具有自动查询和场景解说等本领。
  2002年2月7日,哈工大研制的两个可爱的智能机器人“探探”和“梦梦”坐着卡车,千里迢迢赶到北京王府井,参加第二天的首次中外顶级智能机器人聚会。有人对“探探”说:“给我背首诗吧!”他真背起了著名的《沁园春·雪》。
  2003年3月5日,在北京中国国际博览中心举行的首届新世纪中国报业博览会上,《黑龙江日报》展台颇具看点——报展内容详实而丰富,机器人“小报童”朗朗卖报声引得观者驻足,并纷纷涌向展台。中央电视台、新华社、京华时报等媒体也作了现场采访。由哈工大研制的高科技产品机器人,被聘为《黑龙江日报》参加此届展会的“小报童”。“小报童”在展会上为宣传《黑龙江日报》立下汗马功劳。
  2003年11月,哈工大“智能三代”导游机器人远渡重洋,“留洋”到英国一家博物馆——大英博物馆当迎宾导游兼翻译。这个集视觉、运动、避障、会眨眼睛和张嘴说话等功能于一身的新一代智能服务型机器人,身高1.7米,体重100公斤,两只眼睛很大,上肢活动自如,下肢为轮式设计,全身由一种比较特殊的玻璃钢制成,外面涂上了一层金属漆。由于它的外形像个威武强悍的武士,所以科研人员把它的声音设置为男声。据哈工大机器人研究所副所长李瑞峰介绍,它的最大特点,是浑身上下装满了12个作为感觉器官的超声波传感器,这使它的感官非常灵敏,还可以准确地判断出对面的障碍物是人还是物体。机器人的头部首次增加了摄像头作为它的视觉系统。脸部修饰也很特别,不仅有会动的眼皮,可以冲你眨眼睛,说起话来嘴巴还可以灵活关闭,更具人形的特征和亲和力。这个机器人不仅可以与普通人进行日常对话,还可以依靠其底座的小轮子在室内自由行走。如果在行进过程中前方遇到人,它可通过自己的摄像头迅速做出决策,选择与人打招呼、进行语言交流;而一旦前面遇到了障碍物它也不会慌张,而是选择调转方向择路走。此外,机器人的胸部由人际互动系统构成的视窗则更具人性化,人们只需通过简便操作的触摸屏,便可以全面地了解想要知道的一些具体内容。
  “我们所里的老师去英国遇到了艾塞克斯大学的机器人研究员,双方觉得各自的技术在某些方面是走在前沿的,所以一拍即合。”双方经过洽谈,艾塞克斯大学决定花20万元人民币购买一台服务型机器人,在机器人运抵英国后,该处的研究员将加入自己的技术,让它成为当地博物馆的导游。
  什么是“智能三代”?说起“智能三代”,李瑞峰像说起自己的孩子一样如数家珍:“‘智能三代’指哈工大机器人研究所研制的第三代服务型机器人,区别于前两代机器人。‘智能三代’在外形上突破较大,在视觉系统、语音系统和运动系统上功能更强。另外,在耐用性、实用性上都有所突破。比如什么部位何时该带电、何时不带电都有人性化的设计。”据了解,目前该研究所总共研制了8台类似的机器人。
   李瑞峰还介绍说:“‘智能三代’最具吸引力的是它的外形与人更加相似。第二代智能机器人胳膊一般只有一个关节,这次我们的设计是两个。另外,它的嘴、眼睛都可以动,尤其眼睛可以转动。它如果感觉自己累了,就会闭上眼休息,人性化的设计可以给使用者和观摩者带来更大的亲和力。”
  和以前研制的机器人相比,“智能三代”的耐用性有很大的提高。在一般的展览中,机器人最怕遇到小孩子,他们又搂又抱,往往给机器人造成致命的伤害。“‘智能三代’不怕这些,它胸前安装了可查找资料的触摸屏,所以‘智能三代’可以承担简单的导游任务。”
  和前两代服务机器人相比,“智能三代”采用更为先进的传感系统,因此智能水平更高,主要表现在机器人的视觉系统、语音系统和运动系统更强,言行举止更像人。它不仅可以在屋内自由行走、自行设计路径规划并实现较多的人机对话,身上安装的24个超声波传感器还可以在360度范围内识别出障碍物。
  2004年4月,外形“潇洒”、颇具大师风范的新一代乐队指挥机器人在哈工大诞生。这种机器人可以随着音乐的节奏转动全身各个关节,做出指挥者的姿态。他的外形为卡通人造型,身高约1.60米,手指、脖颈、腰部等部位转动灵活,可以前仰后合,左右舒展,甚至还可以走下指挥台,边走边指挥。第二代指挥机器人全部为气动驱动,即用气泵作为动力源推动机器人做出各种动作,其“大脑”由计算机程序控制。人们可以通过操作台上的多媒体触摸屏对机器人发出指令。每当一首乐曲进入播放程序,机器人会先报出乐曲的名称。当乐曲响起时,它便按照程序指令转动关节摆动身体,进入指挥状态。科研人员介绍说,第二代指挥机器人与第一代的不同之处在于它有手指。这也是整个研制过程中的技术难点。研究人员在机器人的手指上安装了多个关节,使手部动作更加灵活。目前,该机器人常年在黑龙江科技馆进行表演。
 
 科研人员在调试智能服务机器人
 
    
科研人员在调试家用保安机器人 
 
  “小朋友们,你们见过我吗?我是机器人飘雪,来自哈尔滨,虽然我浑身装满了零件,可我会唱歌,会说话,会思考,我愿意和你们交朋友,请小朋友们往里走,继续参观!”在5月15日开幕的2004年科技活动周中,前来北京展览馆参观的人们都惊奇地发现了一位特殊的“迎宾小姐”——由哈工大机器人研究所研制的智能服务机器人“飘雪”。作为“863”计划项目,这款智能服务机器人的特点是具有两只仿真人的作业手臂,每个作业手臂上有7个关节,具有很强的协调性和精确性。它的身上设置安装了多个传感器,可以灵活地自主避障。因此它除了具有自主移动功能外,还可以执行具体的服务作业功能,主要可以应用于医学领域和危险环境中。在医学领域,这种智能机器人可以通过遥控指令非常方便地为病人倒水喂药,可以通过中间部位显示屏上的屏幕信息,友好地向病人提示医嘱,可以通过语音合成软件,与病人进行互动的语言交流,如以提问与回答的形式实现简单的对话等。它的头部安装了两个摄像头,可以观察医护室的情况。它还可以为病人唱歌、跳舞、背诗等,具有一定的娱乐功能,非常人性化。在危险领域,如有毒、有害、有辐射的地方,这种智能机器人可以代替人类从事危险作业,排除险情,避免了人类遭受不必要的伤害。
  继2005年6月15日,哈工大最新研制的导购机器人亮相第十六届哈洽会后,哈工大研制的智能家用多功能保安机器人又在2006年第十七届哈洽会上闪亮登场。这种免维护、智能化、无需特殊安装的保安机器人,充分利用现有IT技术的最新成果,采用人性化设计,除了保安作用,还具有老人陪护、儿童监管、家庭娱乐、清洁服务、家庭管家等多种功能。
  随着人们生活居住水平的提高和社会的进步,家庭对保安提出了更高的要求。目前市场上已经推出了大量的家庭保安器材和监控系统,可以通过小区集中管理或用手机向主人报警,但是缺点是需要统一安装,家庭布线,使用不方便,误报率高。而哈工大研制的家用保安机器人的特点是体积小,使用方便,具有独立移动、监测和通讯的能力。它能在一个家庭的范围内巡视、观察室内环境的变化,发现入侵者,能及时把探测到的信息(盗、火、煤气泄露等)用无线或网络的方法通知主人或安全部门。该机器人具有轮式行走机构及障碍检测传感器,可在用户家中自主行走与避障。具有摄像头,可以拍摄室内的图像;通过语音及触屏交互,机器人可以向用户提供个人日程管理、语音提醒等助理功能以及儿童电子宠物等娱乐功能;通过无线网络及应用软件,用户可用办公室中的计算机及Internet网实现对机器人的完全控制。除此之外,机器人还具有手机控制及安全监控、报警功能。它可以监视用户家中的情况,当屋内发生火灾、天然气泄漏、盗窃或家中老人需要急救等危险时向主人或其他家中成员的手机发短信,及时处理。如果主人需要,可进一步向主人的手机发图片。当然主人也可以打开电脑,通过INTERNET在网页上监看家中的情况。
  家用机器人的诞生无论是在促进技术的进步,还是在引领个人生活新的方式方面都将会产生巨大的影响。
 
  微型机器人:微观世界显神奇
 
  庄稼再不受农药的污染,而是由撒在农田里的成千上万的微型机器人杀虫灭害;人们再不为心血管疾病所困扰,因为有植入血管的微型机器人汇报身体状况,并承担起诊察、用药和手术等工作;连接密集的三维硅片结构,也可由微型机器人帮助加工……在未来社会里,微机器人的应用将十分广泛,微机器人技术也将无所不在。
  微机器人技术是多学科交叉的结晶。微机器人作为人们探索微观世界的技术装备,在微机械零件装配、MEMS的组装和封装、生物工程、微外科手术、光纤耦合作业、超精密加工及测量等方面具有广阔的应用前景和研究价值。微机器人的研究方向包括纳米级微驱动机器人、微操作机器人和微小型机器人。纳米微驱动机器人是指机器人的运动位移在几微米和几百微米的范围内;微操作机器人是指对微小物体的整体或部分进行精度在微米或亚微米级的操作和处理;微小型机器人体积小、耗能低,能进入一般机械系统无法进入的狭窄作业空间,方便地进行精细操作。哈工大机器人研究所在这3个方向上均进行了探索,尤其在前两个方向上的研究,总体上达到国内领先、国际先进水平,并诞生了一批具有创新性的成果,代表了我国微机器人研究的最新成就。
  在微驱动机器人领域,哈工大将多年的研究成果集成化,基于机构、驱动、检测一体化的思想,采用一体化的设计方法,研制出多种纳米级微驱动机器人,提出了微动条件下的机构分析与优化设计方法,具有代表性的是6-PSS并联微驱动机器人、6-SPS并联微驱动机器人,还研制成功多种压电陶瓷驱动的一维、二维、三维微驱动机器人,达到了体积小且驱动、机构、检测、控制等关键技术全部国产化的目标。这种“机器人”获得了国家专利,并实现了产品化和产业化。
  2002年,哈工大为我国研制出可操作细胞的纳米级高精度微动机器人,并投入产业应用。这种机器人可以应用于分子生物学基因操作,能够对细胞和染色体进行“手术”,并能在微电子、光学调整、扫描隧道显微镜等微细调整及精密加工领域一显身手。
  2006年5月,一种并联平台式机器人在哈工大研制成功。该机器人具有多个自由度,通过控制其六条腿的伸缩,实现平台的高低变化,精密度接近微米级,可广泛应用于医疗、科研等领域。  同时,由哈工大研制的六自由度串联机器人也成为各高校教学的实物教具。据科研人员介绍,串联式机器人是一种典型的工业机器人,在自动搬运、装配、焊接、喷涂等工业现场中有着广泛的应用,该系列的串联教学机器人已有4台被大学购买,应用于机械制造及其自动化、机械电子工程、自动控制等相关专业的教学和培训。
  哈工大博实精密测控有限责任公司总经理曲东升博士说:“我国将纳米级驱动技术应用于机器人控制,已达到国际先进水平,并逐渐产业化,应用部门包括国家重点实验室和航天研究部门。”据介绍,这种机器人在技术性能方面,与国外同类产品已没有明显差距,而且价格低,售后服务好,受到用户的青睐,被应用在国内诸多高校、科研院所的许多项目上。
  在微操作机器人领域,哈工大在国家自然科学基金的资助下成功研制出仿生型多维超精密驱动微机器人,并在国内首次研制出运动精度在纳米级的六维并联结构的微操作机器人,获国家自然科学基金委员会的好评。专家们在《国家自然科学基金资助微米/纳米技术研究成果成效显著》报告中,评价六维并联结构的微操作机器人具有较高的学术水平。这种微机器人可用于光纤调整、细胞操作,具有很大的产业化价值,引起了国内一些研究机构的兴趣。
  在生物基因操作、显微病理分析、微机械装配、纳米超精密加工、光纤器件的耦合等领域,许多精密操作要求达到几到几十纳米的精度,也就是相当于常人头发丝粗细的千分之一的操作精度,这些操作需要高精度微操作机器人来完成。2004年2月,由荣伟彬负责的课题组完成的国家“863”课题“面向光纤耦合作业微操作机器人系统研究”,解决了微操作机器人的诸多通用关键技术,课题组研制出微米精度和纳米精度的两台机器人,这两台机器人系统由计算机控制,在显微镜下协调动作,自动完成纳米精度的光纤耦合作业。目前,在纳米微定位方面,课题研究成果已形成产业化,应用在科研和生产项目上,取得了良好的经济和社会效益。
  2006年4月5日,由杜志江教授领导的课题组进行的“六自由度纳米级宏/微操作机器人的研究”,通过了“863”计划机器人技术主题专家组的验收。课题组研制出了具有自主知识产权的六自由度纳米级宏/微操作机器人原理样机,并在国家重大工程项目中得到了应用。六自由度纳米级宏/微操作机器人采用宏/微双重驱动,在达到厘米级运动范围的同时,达到纳米级的分辨率和重复定位精度。在毫米级大行程柔性铰链、宏/微双重驱动思想、6-PSS和6-SPS双重并联机构构型、运动学建模方法、位置逆解求解方法等方面的研究具有创新性。该课题提出了将压电陶瓷驱动电源、微位移传感器检测电路、中央控制器,用模块式组合在一起的集成设计思想,实现了精密定位闭环控制器的集成化和数字化,研制出了集成式压电陶瓷微驱动器,并在驻波型压电马达驱动器、直线压电马达及压电马达死区控制技术方面进行了有益的探索。
 
 科研人员在进行MEMS机器人系统研究
 
  一分钱硬币大小、头发丝粗细,这样的描述语我们都很熟悉。但是,要说一分钱硬币大小的飞机、头发丝粗细的马达,你可能就要瞠目结舌。微机电系统(简称为MEMS)就是这样一些令人“匪夷所思”的微型智能化系统。2006年12月25日,由孙立宁教授主持完成的“面向MEMS组装、封装与键合测试的关键微操作设备”项目通过了王立鼎院士担任鉴定委员会主任、由7名国内知名MEMS专家组成的鉴定委员会的技术鉴定。该项成果针对MEMS小批量、多品种的特点,采用光、机、电及工艺系统集成技术,研制出具有自主知识产权的MEMS批量组装设备、MEMS自动引线键合设备和硅片键合强度测试设备。MEMS批量组装设备针对典型MEMS器件批量组装,研制出具有精密定位和微力传感功能的模块化微操作手、系列化真空吸附式作业工具和多工位键合炉,采用多操作手协调和显微视觉/微力混合控制策略,实现了高温压力传感器和MEMS气体传感器微小组件批量装配。MEMS自动引线键合设备针对MEMS引线封装的柔性自动作业要求,采用“全局粗定位、局部精定位”的思想,研制出自动连续变倍和调焦的显微视觉系统,实现了大范围、高精度封装目标识别与精确定位,实现了不同MEMS器件的自动化引线键合。硅片键合强度测试设备采用显微图像处理技术和红外图像处理技术,解决了硅片与刀具的高精度对准和裂纹长度精确测量问题,实现了硅片键合强度定量测试。鉴定委员会认为:该项研究成果在系统集成、显微视觉、微作业工具、微操作作业策略等关键技术方面达到国际先进水平;填补了国内外MEMS领域相关设备空白,体现了自主创新。课题申请国家发明专利6项,发表论文30余篇,研究成果在多家MEMS研发和生产单位示范应用,社会与经济效益显著,应用前景广阔。
  面对微型机器人技术的神奇功能和广泛应用前景,哈工大对新型微机构设计理论、微机器人智能传感系统等进行多方面研究。不久的将来,用于医疗接骨、胃肠道诊断的微型机器人将问世,为我国微型机器人研究开创出更加蔚蓝的天空。
 
  医疗机器人:“妙手神医”来上岗
 
  你能想象由机器人操刀做手术将是怎样一种情形吗?
  你能想象一个机器人医生通过千里之外的遥控来实施“医术”又是怎样一种状况吗?
  这不是天方夜谭,更不是痴人说梦。因为,这位机器人医生,就在我们身边,就在哈工大机器人研究所里。
  说起医疗机器人,在西方早已不是新鲜的概念:1998年5月,德、法两国的医生共同合作,用遥控机器人系统成功地为一位心脏病人进行了瓣膜修复手术;2001年9月,法国医生通过超远程控制医疗机器人,在美国纽约为远在法国的病人进行了胆囊摘除手术,实现了世界上首次跨洋手术……多起成功案例让人们逐渐接受了这个特殊的“妙手神医”。
  医疗机器人技术将传统医疗器械与信息技术、机器人技术相结合,是近年多学科交叉的新型研究领域,也是目前国际机器人领域的前沿研究热点之一。哈工大机器人研究所利用学科交叉的优势,开展了机器人辅助矫形外科手术和介入外科手术、用穿戴机器人手臂进行人体上肢的康复治疗、用MEMS传感器技术进行远程人体生命检测系统等研究,取得了多项成果。哈工大机器人将在医疗领域大展“身手”。
  长期以来,矫形外科手术中传统的骨折接骨方法,对骨折病人采用人工牵引的方法,将错位的骨头牵引拉开,恢复原位后,把钢钉穿入骨髓使断骨连接。医务人员必须在X光的平面透视下,摸索寻找钢钉的孔位,从外部打孔进行锁定,完成对髓内钉的远端锁定。这种手术方式复杂,一次成功机率较低,即使是经验丰富的医生也往往无法做到一次成功,所以容易发生髓内钉远端锁定失准失败,引发手术并发症;同时,手术过程中,医务人员和患者都要长时间暴露在X光射线下……所有这些问题,都是国内外医疗界长期探索革新的医疗技术难点。
  为了给外科医生制造一个得力的帮手,将外科医生从大量的手术中解放出来,哈工大做了许多探索和尝试。2004年8月27日,由哈工大机器人研究所承担完成的“863”计划项目“遥操作辅助正骨医疗机器人系统研究”,通过“863”计划机器人技术主题专家组的验收,受到专家组的好评。接骨机器人涉及机器人、网络技术、计算机、医学影像和外科手术等诸多学科,哈工大在“863”计划的资助下,联合北京航空航天大学机器人研究所、北京积水潭医院、哈尔滨医科大学附属第二医院等单位,研制出一大一小两种类型的接骨机器人系统,大型系统侧重于跟踪国外先进技术,用较大的投资建立适于研究和应用的全数字医疗平台,开展医学图像处理、网络遥操作、自动化手术、手术虚拟仿真等医疗机器人通用技术的研究及在接骨手术中的应用;小型系统侧重于实用化研究,系统采用框架式结构,具有体积小、价格低、便于医生操作和大面积推广等特点。这些接骨机器人系统至今已完成21例临床手术,手术成功率100%,得到了医疗单位的认可。课题组申请国内发明专利4项,在国内外学术会议和期刊上发表论文30余篇,培养了7名博士生、5名硕士生。
  而此项成果将先进机器人、计算机图像相关技术引进矫形外科手术,突破了传统外科手术的发展瓶颈,解决了经X光射线图像导航机器人完成髓内钉的远端孔镇定技术的难题。“机器人医生”不仅不怕疲劳,而且动作准确规范,使手术的成功率和质量大大提高,而且也减少了传统手术中X光对医生和患者造成的辐射伤害。 
  另外,遥操作辅助正骨医疗机器人系统立足于矫形外科机器人技术研究,开展了医学图像处理、网络遥控操作、自动化手术,手术虚拟仿真等医疗机器人关键技术的研究,为进一步研究实现高水平的全数字医疗外科手术通用平台奠定了重要基础。 
  2004年12月,这一成果通过了专家鉴定。专家们给予了肯定的评价,认为成果达到“国际先进、国内领先”水平。这项技术成果在矫形外科临床手术中的成功应用尚属我国首次,它的推广将为我国矫形外科手术的发展带来革命性的创新。
  2005年9月,哈工大在医疗机器人研究领域再次取得重要突破,我国第一部用于手指功能锻炼的辅助治疗装置——智能仿生康复训练机械手样机在哈工大问世。它将在改善患者手部外伤的治疗效果、最大限度防止患者手指关节功能障碍发生等方面发挥积极作用。
  据介绍,手是极易受到损伤的人体器官,由于其内部神经、血管、小肌肉纵横交错,一旦受损治疗难度很大,治疗后功能恢复也多不理想。临床上,手外伤术后多需将患指固定3~4周,易致使淤积于关节内肌腱周围的淤血形成纤维变性,直接导致手指关节及肌腱的粘连,在不同程度上影响患指功能。
  针对手指抓握等精细动作康复器具的研究在我国尚处于空白的状况,哈工大校长王树国教授和付宜利教授带领的课题组与哈医大四医院共同承担了国家自然科学基金项目“智能促动手(指)功能恢复医疗仿生机械手研究”。科研人员经过近两年的努力,根据现代循证医学(EMB)和连续被动运动(CMP)理论,在对手(指)运动进行建模、仿真并进行系统的运动学和动力学分析的基础上,在国内率先研制出智能仿生康复训练机械手。
 
 医疗机器人(程伟光摄)
 
  仿生机械手采用模块化设计,由3个类似人类手指的“手指”组成,每个“手指”分“仿生手指”模块和“仿生肌肉”模块两部分。“仿生手指”模块采用平面杆机构和空间杆机构实现受伤手指各关节的运动;“仿生肌肉”模块包括驱动器、导向机构、张紧机构和支撑机构等实现“仿生手指”的驱动控制。
  据付宜利教授介绍,患者使用时,将仿生康复训练机械手套在受伤的手上,由临床康复专家通过控制系统下达指令,促使伤指连续、被动地活动,从而加速伤指关节软骨及周围肌腱和韧带的愈合与再生,使伤指功能得到恢复。
  该仿生机械手还能对临床康复过程中的力/位信息进行采集,从而可以对临床康复的效果进行定量测评,同时为人手临床康复研究提供基础数据,促进康复理论研究的进一步发展。有关专家认为,智能医疗仿生机械手能进一步改善手部外伤的治疗效果,最大限度地防止手指关节功能障碍的发生,因此具有广阔的应用前景。
 
  爬壁机器人:“飞檐走壁”的清洁工
 
  身手敏捷、带着吸盘的机器人清洗工以每分钟移动2~10米的速度,迅速爬上70米的高楼,与那些腰拴绳索的高楼清洗工并肩上岗。
  它不是电影中的“蜘蛛侠”,而是由哈工大研制成功的负责高层建筑表面清洗的机器人。这种机器人工智能在国贸、湖北大厦等处的试用,一时间引起了广泛关注。它以可调整速度上下左右地移动进行喷雾、刷洗、多层橡胶板刮洗等高效的清洗工作,相当于4个成熟工人的工作量。作为第二代清洗机器人,23.2公斤的体重使它不但便于遥控,爬高能力也可达到70米。
  据课题组组长、哈工大机器人研究所王炎教授介绍,该机器人技术性能属国内领先,达到了国际先进水平。它有可能取代低效率、高风险的人工清洗方式。但这种机器人目前还有点“弱智”,虽然在机器人的设计中包含了可以适应弧形壁并跨越沟槽的功能,但从使用过程中看,该机器人适用的范围比较有限,除了平整的玻璃幕墙外,弧度稍大或者是表面有障碍的特色建筑,机器人的清洁效果不是非常理想,该机器人的研制者们也正在努力解决这些问题。另外,为瓷砖型、大理石型外墙表面设计的清洗机器人也即将登陆市场。  
  试用者在接受记者采访时表示,清洗机器人的出现极大地方便了高层物业的清洁管理,虽然还有一些不尽如人意的地方,但他们不会失去信心,因为这是一种发展的趋势。 
  哈工大机器人研究所从20世纪90年代初期开始进行爬壁机器人的研究。1994年3月16日,由哈工大王炎教授任总师,潘沛霖、徐殿国教授任副总师,带领研究人员与沈阳自动化所等合作研制的我国第一台壁面爬行遥控检查机器人,顺利通过国家“863”计划自动化领域智能机器人主题专家组的验收和航天工业总公司主持的鉴定。这种机器人可携带检测设备,进入对人体有害的环境中,检查放射性废液储存罐的焊缝缺陷及壁厚变化,也推可广应用于石油化工行业各类大罐的安全检查、除锈、喷漆以及高层建筑的清洗等方面。研制人员经4年攻关,攻克了机器人在吸附中移动,在移动中可靠吸附,全方位移动,光纤通信,在合金钢罐上超声测厚、探伤,以及抗倾斜、小车侧壁导航等关键技术,使机器人能在弧形壁罐上上下左右爬行和斜行,并按照要求进行检测。鉴定委员会认为,这台机器人为工业废液储罐在役检查提供了技术与冷试样机,为解决工业上的急需奠定了技术基础,填补了我国弧形壁面移动机器人技术的空白,达到了国际先进水平。
  1995年11月25日,哈工大王炎教授等与大庆石油管理局第一采油厂有关人员合作研制的我国首台磁吸附爬壁机器人通过专家鉴定。这台机器人是油田注水站金属罐防腐专用的机器人,是内容新颖、具有开创性的高技术课题,研究项目得到了黑龙江省科委和国家“863”计划的支持。研究人员通过4年努力,在无参考样机的困难情况下,攻克了多项难关,研制出我国首台采用永磁吸附方式和履带式结构,可以在金属罐壁爬行,负重40公斤以上,进行喷砂除锈、喷漆防腐作业的机器人。机器人可跨越5~10毫米的焊缝,可爬直径大于6米的弧形罐壁,完成作业后,可自动从罐上爬下,进入运载小车。鉴定委员会专家认为,油田拥有成百上千的金属罐,每年要新建上百个金属罐,这些大罐常年在野外,防腐喷漆作业任务量很大,人工作业需搭脚手架,费工费时,使用爬壁机器人除锈喷漆,可以节省人力,提高工效,具有广阔的应用前景。
  壁面清洗机器人是由哈尔滨工业大学机器人研究所研制的用于高层建筑壁面清洗的高效自动化设备,它的问世将改变目前国内高楼清洗的现状。目前国内高楼清洗领域大多采用人工清洗,如吊篮、吊凳等简单设备,不仅危险,而且效率低、劳动强度大。由徐殿国、赵言正、王炎教授等人组成的课题组在1997年研制成功第一代壁面清洗爬壁机器人。1999年11月4日,“863”计划、省科委重点攻关项目“壁面清洗爬壁机器人”通过了黑龙江省科委组织的鉴定,并被不少厂家看好,先后销售了2万余台,取得了中试的成功。
  在此基础上,课题组利用研究所已有的研究经验,在密封、遥控和清洗等关键技术方面进行了创新设计,采用了小型化和轻量化设计电力线载波通信等技术,将控制器直接安置于机器人本体,14根电缆芯线变为两根电源线,大大提高了机器人的灵活性和爬高能力,可用于瓷砖结构及玻璃幕建筑物外壁面清洗作业。据了解,高层大厦人工清洗费用高,也不安全。哈工大研制的壁面清洗爬壁机器人工作效率高,且成本很低,随着产业规模化,价格还能进一步降低,因此具有很好的市场前景。
  2001年,在“863”计划15周年成就展上,哈工大“机器人”再唱主角,壁面清洗机器人受到关注。在“863”机器人主题的大力支持下,由中国最大的专业化清洗公司——中国蓝星化学清洗总公司和哈工大共同出资组建了北京蓝星哈工大机器人有限公司,并在北京市中关村科技园区注册。第一代清洗机器人产品——“蓝色超人”主要由机器人本体、清洗装置、控制器、遥控系统、安全装置和供气、送水设备等组成,具有吸附可靠、移动灵活、清洗高效和操作方便、安全等特点。
 
  管道机器人:以“小”见“大”立功劳
 
  管道工程在国民经济许多行业,如石化、天然气、核工业、给排水、管道输送等领域起着极其重要的作用。管道机器人是机器人技术领域的一个新分支,其以管内移动机构载体为依托,配置相应的执行装置和传感器,来完成管内的检测、探伤、喷涂、焊接等各种特定的作业,是机电一体化高技术产品。
  哈工大副校长邓宗全教授等人从1987年开始从事的管内移动机器人研究,在该领域先后获得6项国家“863”基金课题资助。他们在取得初步成果后于1994年开始进行管内移动机器人产业开发,并于1995年与大庆签订了技术协作合同,确定研制“野外大口径管线对接焊缝工业X射线检测系统”。该系统采用管内爬行机器人,携带周向X光射线发生器,在CCD视觉系统监视下,准确到达指定位置,然后环缝拍片,判断焊接质量。这种检测系统与传统检测方法相比,提高工效3~6倍,并且能够提高检测质量和设备使用寿命。该技术属国内首创,主要技术指标达到国际先进水平。这一系统曾在北京展览,并用于陕西至北京的天然气管线工程检测中,具有可观的经济效益和社会效益。该研究成果于1996年1月19日通过黑龙江省科委组织的鉴定。
  由邓宗全等人合作进行的管内移动机器人产业化开发研究项目,于1996年6月25日通过“863”智能机器人主题专家委员会的验收和鉴定。鉴定委员会认为,管内移动机器人产业化开发,圆满地完成了合同规定的内容,所完成的X射线探伤机器人已在陕西至北京的天然气管线工程现场使用,达到了预定的技术指标,具备了实用水平,较人工检测提高工效6倍,拍片质量也有所提高。所完成的小口径管内补口作业机器人,具有手动、自动识别焊缝并进行管内喷涂补口作业功能,其拖动力、移动速度等技术指标,具有国际先进水平。
  2004年2月,由邓宗全负责的课题组进行的“管道焊缝实时检测机器人”通过了“863”计划机器人主题项目验收专家组验收。该机器人可用于直径900毫米以上管道焊缝的质量检测,一次检测距离可达2公里,其不仅能在3分钟内初步判别和记录焊缝中有缺陷的位置,并能直观明确地表示出所在方位,图像识别与处理系统有清晰的人机界面。该管道焊缝实时检测技术在管内外同步控制及定位原理与方法上有重大创新,并具有独立的知识产权,可广泛地应用于长输管道工程的射线检测,有极大的应用前景。
  邓宗全教授带领课题组取得的研究成果包括管道机器人移动机构的结构理论以及弯管、三通、四通的通过性等。研制的小口径内喷涂防腐作业机器人及水泥内衬补口作业机器人均已应用于大庆油田的管道防腐工程;抽油泵激光内表面改性机器人,采用光纤技术将激光引入管内,通过镜面反射旋转并与机器人移动合成螺旋线运动,使管内表面得以淬硬,提高了耐磨度。目前,75~660毫米管径范围内的移动机器人已经实现系列化设计。
  课题组还根据实际工程背景研制了4类8种机器人产品,填补了国内的空白,一些关键技术与技术指标达到了国际先进水平。这些机器人产品先后应用在国家重要工程中,从而保证了工程质量。如“陕—京”天然气管线工程的X射线对接焊缝探伤,上海浦东国际机场输油管道的内防腐作业,还有小口径内喷涂防腐作业机器人在大庆油田的管道防腐工程中的应用,以及水泥内衬补口作业机器人和抽油泵激光内表面改性机器的应用等。
  2006年6月,由哈工大与胜利油田钻井工艺研究院、上海交通大学、上海电力学院等单位共同承担的我国首座海底管道内机器人(爬行器)试验台架,在胜利油田钻井工艺研究院滩海工程模拟实验室建成并投入运行。
  “海底管道内爬行器及其检测技术”是国家“863”高科技项目。管道内机器人试验台架主要供海底管道内爬行器工程样机试验之用。该试验台架由液压升降台和100米内径为?覬297毫米的管道以及加压装置组成。机器人进入管道时,将其放在半剖管上,由液压升降台提升到位与管道入口对接,待全部进入管道后,机器人自动启动,并带动检测定位装置完成成对管道缺陷的测量工作。该机器人采用六独立轮式驱动机构,具有模块化驱动臂式结构、两驱动截面、功率分散配置等突出特点,为国内首创。2006年8月该项目通过“863”专家组的验收,并得到好评。 
  经过多年的艰苦工作,?覬75~660毫米管径范围内的移动机器人已实现了多种用途的管内作业。随着新用途的不断开发和更大范围的推广将产生更大的社会效益和经济效益。
 
  幼教机器人:小朋友的“良师益友”
 
  说起机器人,恐怕很少有人会把它和“表情”、“老师”这样的形象联系在一起。可这机器人要是有表情,又站在课堂上当起了老师,这是不是很有趣呢?2005年4月,哈尔滨市的一家幼儿园就迎来了3位这样的机器人老师。
  “小朋友们你们好!我是大脚丫波波,我可是一个有表情的机器人哦。”憨头憨脑的机器人老师声音和外形一样可爱。话音刚落,教室里就掌声一片了。看到自己这么受欢迎,这位“老师”马上就来劲了,赶快给小朋友们讲故事吧。别看是机器人,口型可一点都不差,兴奋的时候,连耳朵都呼扇起来了。看,又上来一位穿牛仔服的新老师,看到小朋友们有些累了,那就来首歌给大家放松放松吧!  
  这样的老师,哪个小朋友会不喜欢呢,难怪表演一结束,孩子们就都抢着上去和这几位新老师亲密接触呢。  
  这几位机器人老师是何方神圣?原来,他们是哈工大科研人员两年多心血的结晶。据介绍,他们是由哈工大(深圳)机器人工程技术中心研制的我国第一台带有面部表情的机器人,它的形象设计是科技人员在征求了众多儿童的意见后,从数十种设计方案中挑选出来的。它具有智能化的控制系统,可以通过不同的程序设置,表达不同的内容,并做出相应的表情。在教育儿童方面,它可以提供适合不同儿童需要的教学内容,如唱歌、讲故事、说唐诗等,让孩子们在娱乐的同时学到相应的知识。
  2005年初诞生的国内首台具有完全自主知识产权、带面部表情的类人型幼教机器人——“百智星”的身高约35厘米,一改传统机器人身躯冰冷、表情僵硬、动作笨拙等往日形象,采用了卡通的造型,长着独特的胖鼻子、智慧的皱纹、大大的耳朵、金黄色的头发,并且能够像人一样唱歌说话、传情达意,讲话时伴有动作,还能同步变换面部表情,根据自己讲述的内容,配合做出相关的面部表情和口型,四肢、头、颈等也能相应动作。这款机器人是专门针对0~8岁儿童智力启蒙、性格塑造的关键阶段开发的,并使用一个专门的百智星幼教网站作为后台支持。 
  课题负责人、机器人研究博士鲍青山介绍说,“百智星”是机器人仿生技术与现代幼教理论相结合的产物。它集机器人内部控制系统、精密的机器人结构、智能仿生、CPU通讯、语音合成以及网络扩展多项前沿技术于一身,其核心技术完全是自主研发且可以与发达国家技术媲美。这款带面部表情的机器人一改过去冷冰冰的“机器”形象,其喜怒哀乐等极为拟人化的面部表情将更容易被儿童接受和喜爱。
  2005年,还有一款名为诺宝的幼儿教育拼装机器人在哈工大(深圳)机器人工程技术中心研制成功。诺宝的诞生将以更为简单的形式让幼儿机器人走进孩童的世界,实现他们想制造机器人的梦想。 
 
 幼教机器人
 
  这款机器人教育组件融合了现代工业设计,机械、电子、传感信息系统、自动控制、机器人学和人工智能等多领域的先进技术都得到了应用。首批教育组件分为探路先锋、无敌追踪和幻影雷达3个系列,每个系列都需要孩子动手拼装。 
  研制者鲍青山解释说,这款机器人头部有一个类似人眼的高灵敏红外传感器,发射出的红外线感应到外界的障碍后,会把信息转为信号传输给大脑——智能芯片。大脑做出判断,并通过传感器向运动系统传达指令,调整行动路线。诺宝的其他系列教育组件也都采用世界最前沿的技术研发,每一款都蕴涵多种机器人制造知识。“拼装机器人是学校科研服务社会的又一体现,目的是为孩子们提供一种高科技玩具,为中、小学的科技实践课提供教学用具。通过这样的实践载体,实现素质教育,获得最大的社会效益,让高科技机器人真正走进孩童的世界。”
  据了解,目前无论是儿童玩具还是小学生科技课教具大都是从市场上买来的成品,科技含量不高,没有真正将科技元素、原理与学生动手动脑能力有机地结合到一起。拼装机器人兼顾科技和趣味,既可以作为教学用品,也可以给孩子当玩具。他们在组装、拼制过程中,学习领会书本知识并自觉转化为能力。 
  2005年秋季学期伊始,哈尔滨市部分中小学的学生们发现,他们今年的信息技术教育课程中增加了一门新奇的内容——人工智能与机器人。这是哈尔滨市在全国首次推出的机器人教学试点的结果。让孩子们在课堂上零距离接触机器人,此举开创了我国基础教育阶段机器人教育的先河。教育专家指出,机器人教育走进课堂,将在中小学信息技术教学领域引发教育理念和实际应用的变革。
  机器人教学是通过对学生进行人工智能与机器人技术的教育,增强学生自主创新能力的一种新型教学模式。2005年9月,哈尔滨市教育研究院与哈工大(深圳)机器人工程技术中心联合,在哈尔滨确立包括小学、初中和高中在内的41所学校成为机器人教学实验试点,并将相关机器人教学科目列入学校基础课程。 
  鲍青山说,这种教育机器人在全国也是首创,以前研制的机器人为的是科学研究,但这种教育机器人是用来辅助教学,成为老师课堂教学的好助手。在老师讲授完基本思路后,学生将自己的意愿和想法编辑程序然后传输进机器人中,在课堂上机器人就可活动了,计算机的知识也得到应用。
  2006年1月13日,我国首个中小学人工智能与机器人教学实验成果在哈尔滨通过专家鉴定。专家认为,中小学机器人教学实验成果取得了成功,具备在我国进一步推广的价值。鉴定会上,来自试点学校的学生们展示了他们创作的声控感应窗帘火车道口智能管理系统、盲人饮水机等数十种设计精巧又具有实用价值的实验成果,受到我国教育及机器人相关领域专家的充分肯定。鉴定组成员、“863”机器人专家吴林指出:在哈尔滨实行的教学实验,涉及机械、电子、感应器、计算机、多媒体、网络技术、人工智能等多种先进技术,是培养学生创造性思维和动手能力的极佳教学方法。
  目前,经过哈尔滨市专家编写的信息技术课系列教材——《人工智能与机器人》(分为小学、初中、高中三册)已正式出版,并被审定为国家课本教材,填补了该领域中小学教学的空白。这也是黑龙江省目前通过国家审定出版的第一本“国家标准”版课本。 
  国家“863”计划机器人研究专家王树国教授说,机器人领域应该分为两个大的方面,一是机器人研究,二是机器人教学。前者是一项高新技术工作,后者则是一门贯穿于小学、中学直至大学的基础性课程,从这个角度讲,机器人的确是培养学生创造性思维和动手能力的一个极佳的工具。通过对这些小机器人的操作,学生们能够很容易地学习课本上的知识,并且理解更为透彻,还能通过延伸的知识拓展知识面……
 
  包装码垛机器人:从实验室走向产业化
 
  2004年,在深圳市第六届中国国际高新技术成果交易会上,哈工大机器人研究所与博实自动化设备有限公司共同研制“ZBM-A1200型全自动机器人码垛生产线”获得成果转化精品奖金奖。
  2005年,“ZBM-A1200型全自动包装机器人码垛生产线”获国家科技进步奖二等奖,再次受到业内人士的关注。
  据博实公司总裁邓喜军介绍,自1989年开始,哈工大自行研制开发的全自动包装机器人码垛生产线不断推陈出新,从600型(600袋/小时)到1200型(1200袋/小时),再到最新推出的第六代产品——1600型基于FFS的高速高精度称重包装码垛生产线,共实现了6次跨越。传统形式的全自动包装机器人码垛生产线的生产能力难以突破1200袋/小时,而采用全新结构型式与原理的新型全自动称重、包装、机器人码垛生产线的生产能力可达1600袋/小时以上,标志着我国在包装码垛生产线的设计开发领域已经跻身于国际先进行列。
  到目前为止,哈工大机器人研究所与博实公司在机电一体化系统建模、优化设计、系统集成和可靠性等关键技术领域,累计完成工程应用项目500多项,完成产值10亿多元,打破了国外厂商的垄断地位,替代了进口,获国家专利30余项。
  哈工大包装码垛机器人的诞生,是哈工大急国家之所急、想国家之所想的鲜明体现。20世纪80年代,由于我国石化、化工行业后处理包装工段的自动化程度还很低,工作质量受人为因素影响很大,严重制约了企业效益的提高。而机器人码垛生产线市场又完全被国外产品所垄断。为了发展民族高科技产业,解决受制于人的问题,国务院做出了“国家重大项目设备国产化”的决定,曾任国务院总理的朱镕基同志在视察北京燕山石化时也做出过重要批示:“石化行业重大装备一定要实现国产化。”因此研制开发具有自主知识产权的全自动包装机器人码垛成套设备,并且尽快形成生产规模,对摆脱长期依赖进口的局面,节省外汇支出,促进石化及其他行业产业的升级具有极其重要的意义。
  在这样的背景下,1988年10月,由哈工大机器人研究所抽调精干力量开始对粉粒料全自动称重、包装、码垛生产线进行自主研发,标志着我国该类自动化成套设备国产化的开端。
  在科研人员的努力下,1989年10月,国内第一条“600型全自动称重、包装、码垛生产线”在哈工大研制成功,并在大庆石化总厂塑料厂投入生产使用,填补了国内空白,翻开了国产自动称重、包装、码垛生产线应用新的一页。
  1993年,哈工大机器人研究所在已取得成果的基础上,又开发出第二代产品——“800型全自动包装机器人码垛生产线”,并在天津联化、齐鲁石化等企业推广应用。
  为使该科研成果更好地实现产业化,在学校的大力支持和帮助下,1997年9月,由中国工程院院士蔡鹤皋教授、机器人研究所所长孙立宁教授、副所长邓喜军教授等26名科研骨干共同发起,自筹资金90万元创办了高新技术股份制企业--哈尔滨博实自动化设备有限责任公司,由孙立宁教授任董事长,邓喜军教授任总经理。
  博实公司在“863计划”的支持下,进一步加强了全自动包装机器人码垛生产线的开发工作并使其得到拓展,目前已形成粉粒料全自动包装机器人码垛生产线、橡胶干燥及自动包装码垛成套设备、涤纶长丝丝饼包装成套设备、化肥定量包装成套设备等系列产品,并且成功应用于大庆石化、吉林石化、北京燕化、上海石化、齐鲁石化、兰州石化等几十家石化、化工企业,确立了行业内的品牌形象和地位,受到用户的一致赞誉。1999年博实公司被认定为国家“863计划”机器人主题产业化基地,黑龙江省高新技术企业,2001年又被国家科学技术部认定为国家“863计划”成果产业化基地。由于在高科技成果产业化方面的突出业绩,公司被国家科学技术部授予“先进集体”荣誉称号。公司还是中石化、中石油两大集团公司的网络成员厂和优秀供应商,2006年又被评为兰州石化优秀供应商。
  经过不断创新,博实公司产品技术不断提升和发展,填补了多项国内空白,技术上达到国内领先、国际先进水平。一系列具有自主知识产权产品的推广应用,不但打破了国外产品的垄断地位,而且迫使其大幅度降低产品的价格,为国家节约了大量的外汇;高新技术产品的产业化带动了相关产业的发展,形成了优势的产业链,为地方经济的发展做出了突出贡献。
  在哈工大和机器人研究所的支持下,经过几年的努力,博实公司得到了快速的发展,经营业绩逐年上升,2003年实现销售合同额1.6亿元。截至目前公司已累计完成实际工程应用项目500多项,实现产值10亿多元,取得了明显的社会效益和经济效益。同时,公司已在石化行业树立了良好的信誉和品牌形象,在管理、市场和开发实力等方面有了很大的提高,已具有较强的竞争和抗风险能力。
  2002年,面对所租用的哈工大物资中心800平方米场地远远满足不了订单需要的实际,公司决定在开发区投资建厂,形成年产150台套全自动包装机器人码垛成套设备的生产能力。
  这个总投资5900万元的项目从2003年着手准备,得到了各级发改委的大力支持,2004年被纳入国家第二批老工业基地国债项目。项目建设历时两年,共新增建筑面积14617平方米,包括综合生产厂房、综合研发楼、综合配套楼、外协件及配套件仓库等,还新增关键工艺设备、试验检测仪器197台套。
  在项目建设期间,公司研发和生产的脚步始终没有停止,先后有“ZBM-A1200型全自动包装机器人码垛成套设备”、“FFS(自制袋)全自动包装机器人码垛成套设备”和“橡胶干燥后处理设备”等新产品走向市场,"博实设备"成长为我国石化、化工行业包装后处理设备领域的著名品牌。
  2006年,公司已建成投产的老工业基地国债项目——年产150台套全自动包装机器人码垛成套设备生产能力项目,让企业产能一举提高到项目实施前的3倍。过去受产能限制,公司单笔合同金额很难超过千万元,而现在已签订了两笔5000万元的设备采购大单,公司整体竞争实力正大幅提升。
 
 码垛生产线
 
  如今,博实公司43000平方米的产业化基地建设已经取得阶段性成果,综合研发大楼和中试车间厂房等已经交付使用,配套设施逐渐完善。达到国内领先、国际先进水平的博实产品不仅替代了进口,还实现了出口。随着新项目的全面达产,公司开始通过快速增长的税收来回报国债资金的支持:2003年上缴各种税金695万元,2005年项目投产当年即上缴各种税收1562万元,项目实施前后税收增加了867万元。2006年,公司上缴各种税金总额可达2100万元。 
  哈工大的全自动包装机器人码垛生产线与国外先进水平的产品相比,技术上各有所长、功能基本相当。而博实公司的优势在于对中国的实际工业基础、工装条件、管理水平以及工人的技能等有足够的了解,能够根据企业的生产实际,提供满足其特殊要求的成套设备;同时作为国内唯一能够独立从事该类成套设备研制、开发和工程实施的企业,在系统集成和成套能力等方面具有其他企业无法比拟的优势;另外自主开发的具有全中文菜单的彩色触摸屏人机界面,操作方便;操作系统具有实时在线检测、故障代码显示等功能;系统还具有标准接口,可以方便与上位机构成网络连接,为企业的科学化管理创造了条件。
  目前,哈工大机器人研究所正与博实公司一道,努力实现规模化、集团化、国际化的发展目标,成为我国自动化装备领域一支崛起的新军,将哈工大机器人领域科研成果的产业化进程推向更高的层次,为国民经济的发展做出更大的贡献。
 
  海尔哈工大机器人:合作双赢谋发展
 
  2000年6月7日,在哈工大欢庆建校80周年的日子里,国内最大的家电生产企业——海尔集团与著名高等学府——哈工大共同组建了海尔哈工大机器人技术有限公司。海尔集团董事局主席、首席执行官张瑞敏和哈工大校长杨士勤在合作协议上签字,“863”计划机器人主题专家组组长贾培发参加了签字仪式并宣读了国家科技部高新司的贺信。
  这是继1999年9月双方签订机器人产业化合作协议、成立海尔哈工大机器人工程化研究中心后的更深层次合作。该公司总经理、哈工大机器人研究所副所长李瑞峰博士介绍,作为国内首家校企强强联合致力机器人产业化的高新技术公司,海尔哈工大机器人技术有限公司在过去6年的发展历程中结下了累累硕果,创造了令人瞩目的成绩。
  “哈工大机器人研究所成立于1986年,10多年来在国家有关部委,特别是‘863’计划的支持下,取得了一批成果。但是如何使现有的成果走出实验室,转化为真正的生产力,实现机器的产业化,多年来我们一直没有停止探索。这中间我们走过一些弯路,吸取了一些经验和教训,但有一点我们坚信:只有通过产业化的道路,才能使机器人真正走向市场。”李瑞峰博士说。
  为加快“863”计划的成果转化,充分利用海尔集团在品牌、资金、市场上的优势,以海尔集团及家电行业对机器人和自动化生产线的应用需求为背景,以哈工大多年来在机器人技术研究及应用领域的雄厚技术力量和成果为依托,海尔集团与哈工大于1999年10月首先成立了海尔哈工大机器人工程研究中心,进行机器人技术的联合开发。在研究中心良好运作的基础上,基于双方共同的发展需求,海尔集团投资550万元,研究所以技术投入,联合成立了独立的海尔哈工大机器人技术有限公司,重点从事工业机器人产品的二次开发,以机器人为主的光、机、电一体化设备的设计、生产、开发、应用,实现机器人产品和配套自动化生产线的规模化、产品化,开拓了产业化新路。
  李瑞峰介绍说,海尔哈工大机器人技术有限公司集成了哈工大机器人研究的技术优势和海尔集团的市场开发优势,自成立以来在较短的时间里实现了超常规的快速发展,已研制出以注塑机械手为主的直角坐标机器人、搬运机器人、智能服务机器人、六自由度关节焊接机器人等10余个品种多个系列多种型号的机器人,并通过中试打入市场,成功应用在包括汽车和零部件企业在内的众多国际著名品牌企业。公司还获得了多项国家级新产品证书,并进入大规模自动化系统设备供应商行列。
  公司的市场开发首先面向集团内部的技术改造,先后为海尔洗衣机研制了滚筒洗衣机滚筒双点焊机器人系统,替代了从意大利进口的设备,造价仅仅为意大利设备的二分之一,技术上采用先进的交流伺系统和控制系统,简化了工人的操作程序,提高了设备的生产效率是意大利同类设备的2倍。为冰箱中二事业部开发了冰箱移载翻转机器人系统,替代了从日本进口的同类设备,节约资金50%。
  2002年,公司为廊坊避雷器有限公司研制成功了熔射机。熔射机是生产高质量避雷器的关键设备,其研制成功有助于我国避雷器产品参与国际市场竞争。公司将直角坐标机器人技术应用于熔射机的设计中,使熔射机实现了自动化、噪音隔离和安全防护等高品质要求。该产品可替代国外同类产品,填补国内同类产品空白。
  2005年7月18日,公司为宝钢机械厂设计制作的抛光打磨机器人通过了厂方的A检验收,宝钢机械厂验收人员表示这是宝钢机械厂技术改造的第一台工业机器人,如果使用效果理想,将会有进一步的合作空间。
  2006年9月,公司为沈阳科学宫制作的智能游走导游机器人通过验收,正式交付使用,落户沈阳科学宫。该款机器人不仅在外形上有所创新而且在功能上增加了自主沿固定区域的行走以及无线的语音对话。
  2006年11月,公司最新推出酒店服务型机器人。公司根据近一段时间的市场调研,在原有的智能服务型机器人的基础上研发出来了酒店服务型机器人。它不仅具有原有智能服务机器人的所有功能,而且还增加了针对酒店开发出酒店菜单介绍、点菜、餐位预定以及管理、无线网络控制、摄像头、图片输出、周围环境感知(温度、烟雾)、信息发送等功能。这款机器人可以在各大酒店、餐饮场所为顾客提供点菜、餐位预定等服务。
  公司还为济南重汽开发了桥壳自动化组焊传输生产线,为浙江万达汽车转向机厂开发了转向机自动装配测试生产线,为上海贝洱汽开发了车空调装配线,为张家港汽车开发了车窗升降装置自动化装配生产线。公司已经在汽车零部件行业的自动化设备及生产线开发方面具有一定的知名度。
  公司还采用高品质型材和伺服控制技术,研制成功了直角坐标机器人系统,并已经形成了系列化、准标准化生产。该机器人系统可在三维空间里完成移载、抓取、旋转等各种复杂动作,与其他机构配合可以实现自动定位测试、三维探伤、加油涂胶、码垛、搬运包装等各种功能,广泛适用于汽车及汽车零部件、物流、家电、食品饮料、化工等各种领域。
 
 直角坐标机器人
 
  经过6年的发展,公司拥有了一批技术过硬、经验丰富的技术骨干,形成了发展的技术和产品方向,主要围绕机器人技术应用为主的自动化装备和生产线进行开发,满足用户的个性化要求,积累共性化的技术储备具备批量生产能力,并在哈尔滨有中试、装配基地,在青岛有设备和模具加工基地。公司还在自身的发展过程中,与国内外多家著名的研究所、设计院及设备供应商建立了各种形式的战略伙伴关系。6年来,公司先后获得青岛市科技进步一等奖、山东省科技进步二等奖、黑龙江省科技进步二等奖,并获得两项国家重点新产品证书。
  公司的管理团队已经积累了一定的经验,使公司具备了良性发展的能力。特别是经过2004年对公司主营方向的重新定位,增加了市场开发的力度,公司得到了较快的发展。
  海尔哈工大机器人技术有限公司刚刚走出机器人产业化的第一步。今后,公司将逐渐成为科技投入、技术创新的主体,这是技术创新体系建设中要解决的一个重要问题。海尔集团和哈工大的合作,将开拓出一条企校合作、强强联合、科研成果转化产业化的新路,为中国民族机器人产业的腾飞迈出新的一步。
 
  足球机器人:绿茵场上也“疯狂”
 
  “合理冲撞,漂亮的倒挂,协同作战,勇猛射门……”在哈工大举行的第四届全国机器人锦标赛上,足球机器人的高超球艺让人们看到了足球机器人走入平凡百姓家的希望。
  在我们为中国足球呐喊而无奈的同时,当我们为世界杯而疯狂的时候,机器人足球和机器人足球世界杯带给我们另一种精彩,另一种希望,另一种视觉的享受。
  据了解,国际机器人足球联盟FIRA世界杯机器人足球比赛,最早由韩国科学技术研究院的金钟焕教授于1995年提出,并于1996年在韩国举办了首届国际比赛。比赛由3个体积不超过7.5立方厘米机器人(小车)组成一个球队,在150厘米×130厘米的人造球场上自由运动,目的是把足球(高尔夫球)撞入对方球门。像我们所熟悉的人类足球比赛一样,它具有一套类似的规则,如判罚点球、任意球、自由球,也有加时赛、点球决胜。
  哈工大机器人足球队是这个赛场上的一支劲旅。自1999年至现在,无论在国内比赛,还是国际比赛,都取得了辉煌的战绩,使中国机器人足球冲出亚洲,走向国际舞台。
  历史一定会记住这些瞬间:
  1997年,国际机器人足球联盟FIRA中国分会在哈工大成立;
  同年,在哈工大成立首家中国机器人足球队,在它的带动下,1999年在哈工大首次举办了全国机器人足球锦标赛,哈工大首次获得了机器人足球冠军;
  2001年,在北京举办的FIRA世界杯机器人足球大会上,哈工大一举获得了4项冠军,实现了中国机器人足球打入世界杯四强之梦。并且在这些国际比赛中,哈工大在国际上首次推出全自主型与计算机仿真型机器人足球比赛,为国际机器人足球的发展做出了贡献;
  2003年,在哈工大举办的第四届全国机器人足球锦标赛中,哈工大在6项比赛中一举夺得4项冠军;
  2004年,在韩国兴办的FIRA世界杯大赛中,哈工大机器人足球队首次在类人型机器人足球比赛中获得了冠军。
  洪炳镕教授是我国第一个在国外获得计算机博士学位的学者,他于1982年从日本归国后,1988年首次在哈工大成立了智能机器人研究室,带领年轻的研究生开展了具有边缘科学交叉的智能机器人的研究,先后研制成功了会走迷宫的MM-I型智能移动机器人,对任意路径搜索和推理最短路径的教学用智能移动机器人,在无人状态下能连续自动作业的SM-I型水磨石机器人,能在平地、斜坡、阶梯上稳定行走的HT-II型四足机器人及空间智能机器人坐标逆变换超高速算法及其专用处理器等科研项目,获得了多项航天部科技一等奖与二等奖,得到有关部门高度评价。“八五”、“九五”期间,洪教授带领博士生、硕士生完成的自由飞行空间机器人地面试验平台与星载自主控制计算机仿真系统攻关项目,为发展我国空间机器人研究奠定了基础,尤其他完成的“自由飞行空间机器人运动规划”专著,为我国空间技术发展做出了贡献。
  机器人足球是人工智能学领域的一个很重要的跨学科的研究方向,涉及到传感融合、行为决策、知识处理、无线通讯等多个学科。它已被国外学者认为是“发展人工智能技术的新里程碑”、“一个小平台上的技术竞争”。洪炳镕教授深深地感受到要发展我国的机器人足球,必须要有自己的平台,于是2004年推出我国自主知识产权的全自主型足球机器人,该项目已获得我国发明专利、实用新型专利及软件著作权。与此同时,哈工大开发的计算机仿真机器人足球平台已被几百所国内外大学所使用。哈工大开发的这两项创新成果,被称为中国机器人足球技术发展史的两块基石。不但如此,洪炳镕教授作为FIRA副主席及FIRA中国分会会长,提出了我国发展机器人足球的长远规划及近期发展战略,由于该想法具有前瞻性和创新性,得到国内外有关部门的高度赞扬和肯定。
  在历次比赛中,每一次夺冠、每一点进步都绝非偶然,在每一个令人艳羡的成绩背后都凝结着科研人员所付出的辛勤和努力,饱含着令常人难以想象的执著、耐心和勇于接受挑战的毅力。
  也许有人看到方头方脑的足球机器人会不屑地认为这个小东西会复杂到哪啊?可是记者在采访中了解到,要将这一群小车真正地摆弄明白,可不是一件容易的事。在机器人足球的比赛过程中,要将这些足球小将们单个动起来,对于科研人员们来说也许不是件很难的事。可是如何让这些小机器人协同作战,像人类足球运动员一样各司其职,主攻、副攻、防守有效地配合,却是要人工智能学中的机器学习与多智能体协调技术。每个机器人的作用应该怎样权衡,机器人与球呈什么样的角度,在怎样的情况下两个同队的球员不会撞到一起,机器人在本场应该怎样避免踢“乌龙球”,在对方场地应该怎样避免碰撞障碍物,怎样准确地射门……针对这一系列的问题,哈工大机器人足球队付出了无数的心血,才终于攻破技术上的难关。
  洪炳镕教授提出,机器人足球的最终目的不是机器人对机器人之间的较量,而是将来机器人足球队与人类足球队之间较量。因此他从2004开始致力研究类人型机器人足球,为此开发了类人型机器人足球队,并正式公布从2007年开始在全国范围内举办类人型机器人足球大赛,与此同时开始机器人与人类之间的机器人足球赛。
  在2006年甘肃平凉市举行的第七届全国机器人足球锦标赛暨2006FIRA世界杯机器人足球大赛中国选拔赛上,首次推出了人机大赛,即三岁宝宝和机器人之间进行的射门比赛。出乎人意料的是,“宝宝球员”们纷纷败北,并出现了机器人射门时“宝宝球员”无法拦截,而“宝宝球员”射门时机器人则能自如地将球挡在门外的精彩场面。这是人类与机器人首次在球场上竞争,但这仅仅是一个开始,以后的精彩将会不断地涌现。
  据洪炳镕教授介绍,他们在参赛前在媒体上刊登了招2至3岁的“宝宝球员”参赛的消息,结果有100多名宝宝报名。这也说明机器人足球已越来越受到大众的关注。“之所以选择3岁左右的宝宝同机器人进行比赛,主要是因为目前这些参赛的全自主型机器人的智能水平只能和3至4岁的幼儿相比。再过两三年,机器人就可以和七、八岁的孩子进行比赛了。最终,足球机器人将能够与成年人进行真正意义上的足球比赛。
 
 足球机器人“人-机比赛”现场(纪萱摄)
 
  机器人家族“人丁兴旺”
 
  自1986年哈工大机器人研究所成立,走过20个春秋的哈工大机器人家族可谓人丁兴旺。我们无法一一历数曾有多少个机器人诞生于哈工大,更无法一一追踪有多少个机器人从哈工大走向全国、走向世界,在各行各业发挥着重要的作用。
  除了前文我们有机会深入了解的那些机器人、那些关于机器人的故事,我想,一定还有许多不为我们所熟知的细节,散落在哈工大机器人研究20年的每一个足迹当中。随意翻开手头的资料,我们便发现了一些这样的细节——
  基于Internet机器人遥操作技术是信息技术高速展与机器人技术相结合的产物,提高了人类在一些危险有害的作业环境中的可达到性和安全性,具有广泛的应用前景,是近几年来新兴的研究方向,也是目前国内外研究的热点。哈工大开展了单个操作者单个机器人遥操作以及多操作者多机器人遥操作等研究。2004年2月,机器人研究所副所长赵杰教授带领课题组,研制成功了可用于预防SARS和禽流感病毒等高危病毒医学研究环境中使用的“基于INTERNET的多机器人遥操作系统”,为传统的医学试验手段赋予新的活力。课题组提出了多机器人之间的协调控制策略, 实现了网络状态的动态监控;能以多种方式进行多机器人遥操作控制; 通过网络成功地完成了相应试验的关键动作,具有极大的应用和推广价值,
  在机器人自主作业理论与方法领域,哈工大开展了结构化环境中多关节机器人运动规划理论与方法、基于传感信息的多关节机器人自主避碰运动控制、自主作用机器人环境感知方法与传感器技术、面向医疗与装配作业的仿人手建模等多项研究。2005年4月5日,由付宜利教授和王树国教授领导的课题组进行的“全方位轮式移动机器人平台研究”通过“863”专家组鉴定。课题组研究了未知不确定环境中自主工作的智能移动机器人定位、导航关键和共性技术,提高移动机器人智能化与实用化程度,研究成果总体达到了国际先进水平。课题组设计的全方位移动机器人平台采用四轮独立前进和转向驱动,实现8种运动方式,保证机动性要求;机构部件模块化,机构部件参数可调整与结构形态可重构,使移动机器人平台具有重构特性;设计了仿生沙地车轮和仿爬行动物类的转向架,使移动机器人平台具有仿生特性。机器人具有良好的复杂地形的通过性和自定位能力。基于反应式控制模式,模拟人的思维方式研究移动机器人导航控制方法。课题组还结合人类驾车经验及模糊控制理论,提出了双层模糊控制策略;同时采用了虚拟目标点的方法处理局部路径规划中经常出现的陷阱问题,克服了局部最小问题。该课题提出的导航方法既具有模糊控制所有的计算量小的特点,又能够适应复杂的环境,且具有较好的实时性,利用红外、超声、定向陀螺、码盘和GPS等传感器给出的环境信息,实现了复杂未知环境移动机器人自主导航。该课题的研究成果为移动机器人在未知环境中自主工作提供通用的环境信息获取、处理、避碰和导航技术,目前已在广茂达伙伴机器人公司应用,并将在社会服务、教育娱乐、环境探测、危险环境作业等领域具有广阔的应用前景。
 
 课题组成员正在调试全方位轮式移动机器人
 
  在哈工大机器人家庭,还有一位特殊的成员,它就是由哈工大(威海)研制成功的中国也是全世界第一台海带打结机器人样机。2005年6月17日,哈工大(威海)机器人研究所副所长李哲负责的“基于人手协调动作的海带打结技术”通过专家鉴定,该项技术拥有自主知识产权,在国内外均属首创,已达到国际领先水平。
  海带打结机器人的研制成功可以把工人从恶劣的劳动环境中解放出来,其项目的产业化前景十分惊人。威海是海带产品主要产区,其下辖的荣城市的海带结生产全部由工人徒手加工,由于海水的浸泡,大约半年时间工人的手指甲就开始脱落,所有的海带结加工企业难以雇到工人,无法提高产量。李哲牵头于2002年开始进行研究,并于2004年2月生产出第一台样机,2004年12月生产出第二台样机。经过不断改进,目前该样机一分钟可以打15个海带结,打结成功率超过90%。
  课题组创造性地提出了基于人手协调动作的海带打结原理,为实现海带打结的机械化奠定了必要的基础;设计并制造了自动海带打结机,实现了海带打结的机械化自动作业;发现了海带具有刚柔两面性的特点,为海带条在机械系统中的输送传输提供了理论依据;设计了结构新颖的组合夹爪,解决了海带条在机械系统中的输送和在打结过程中的衔接问题。因此,“基于人手协调动作的海带打结技术”的突破和自动海带打结样机的研制成功标志着实现机械化自动海带打结关键技术的突破。 
 
  一个团队,一种精神:哈工大专家眼中的机器人
 
  每逢走到机器人研究所,研究人员紧张忙碌的工作状态,常常让人感叹不已。这里夜晚常常是灯光通明,星期天、节假日也常有人加班。所里人每年到工厂企业搞项目,一去十天半月,或连续工作一两个月,更是司空见惯。
  名誉所长蔡鹤皋院士以古稀高龄,奔波于校本部、威海校区、深圳研究生院及各产业化基地之间,青丝变成白发,不变的是那一份对机器人事业的执著热爱和倾心关注。
  所长孙立宁教授像空中飞人一样,一年有一半的时间在出差,研究所、飞机场、出差地是他生活的主要轨迹;仿佛有三头六臂的他常常把办公室当成家而忘了下班。
  长江学者刘宏教授,常年往返于德国与中国之间,倒时差成了他的家常便饭。只要国家需要、学校需要,他立即从大洋彼岸飞回。只要面对机器人,他永远是那么精神抖擞……
  还有副所长李瑞峰、赵杰,中青年骨干教师付宜利、杜志江、富历新、荣伟彬……他们是机器人研究所的中坚力量,也是中国机器人事业中的生力军。
  这里的年轻人已挑起大梁,研究室主任、课题组的总师多数是由年轻人担当。一批优秀的博士、硕士研究生,也为机器人研究所、中国机器人事业注入了新鲜的血液。
  孙立宁教授说,研究所坚持以人为本,注重梯队建设,建立了一支高素质的人才队伍。他在研究所倡导“事业留人、感情留人、环境留人”,以“稳定、培养、引进”相结合的方式进行梯队建设,建立了一支人才结构合理、业务素质高、创新意识强、敬业、稳定的学术队伍。因为这样一支敢攻克科技难题、敢啃工程技术硬骨头、团结实干的优秀团队,机器人研究所才在科研上创造了许多个“中国第一”。
  “没有事业,就没有工作的热情。团结一批人,最重要的核心是有事干、有兴趣、有前途,让有才能的人有用武之地。”孙立宁教授说,而他领导的机器人研究所,已经形成了一个强大的事业平台。“机器人机电一体化技术”教育部创新团队确定了以孙立宁教授为首的微机器人技术方向,以刘宏教授为首的空间机器人方向,以王树国教授为首的机器人系统仿真方向,以邓宗全教授为首的特种机器人方向,以徐殿国教授为首的机器人伺服系统方向,以李瑞峰教授为首的智能机器人方向,以赵杰教授为首的空间对接方向,以付宜利教授为首的智能控制方向,以富历新研究员为首的医疗机器人方向等10余个独具特色的研究方向,每个研究方向都有高素质的学术带头人和一批学术骨干。许多其他方向的科研梯队也相当活跃。
  “工作压力是肯定有的,但人文环境要让他们感觉很愉快。这就是我的追求。研究所努力为每一位成员创造一个良好的工作环境。”于是,我们在机器人研究所里看到了那些“忙并快乐着”的身影。
  蔡鹤皋院士在谈到研究所的工作时说:“我们通过改革,实行全员聘任、双向选择、优化组合的制度,充分发挥每个成员的积极性。很多人主动找上门来,愿意到我们所工作。我们就是靠所里的工作环境好,吸引年轻人到所里工作的。”他还十分高兴地说:“我一直在奋斗、追求、盼望实现‘三位一体’的模式,这个理想已经实现了。我们的研究所搞科研出高水平的成果,为博士生、硕士生提供课题,丰富教学内容,靠教学培养高质量的人才,补充科研队伍,促进科研教学水平提高;靠科技成果转化形成产业,创造较高的效益,为改善教学科研环境和提高人员的生活待遇提供资金,形成了‘以学科建设为中心,以科学研究为支撑,以成果转化为推动’,科研、教学、产业三位一体的模式,靠自身造血形成了良性循环。”
  在世界科技高速发展的今天,谁掌握了科学技术,谁就掌握了未来。从第一台焊接机器人、第一台智能机器人到第一个机器人灵巧手、第一个双足足球机器人,哈工大的机器人世界一直是满园春色。2005年初,“机器人机电一体化技术”创新团队落户哈工大后,结合“985”二期工程的建设,机器人研究所又有了新的目标,那就是“将机器人研究所建成‘国内一流、国际知名的机器人技术与自动化装备的前沿科学研究基地、人才培养基地和高技术产业开发基地’。”为了这个目标,哈工大机器人研究团队的每一位成员,都感到了肩上沉甸甸的责任与使命。回顾哈工大机器人研究走过的风雨历程,我们有理由相信,他们的事业,他们的明天,会更辉煌。
  最后,摘录采访中部分哈工大专家的观点,一同分享他们眼中的哈工大机器人——
  机器人研究所名誉所长蔡鹤皋院士:目前,机器人呈现着多样化的趋势,而且,智能越来越高,机器人的应用领域是没有限制的,如果说有所限制的话,那只是受人们的想象力和创造力的限制。哈工大目前正在承担着国家“863”以及总装备部、国家自然科技基金等多项研究任务,研究空间机器人、微小型机器人,包括智能机器人和感知功能机器人等等。国家投钱,来之不易,一定要认真,对人民负责,对国家负责,为国家科学与技术的发展做出贡献。
  校长王树国教授:机器人是一个集机械设计、电子、控制、传感、材料等等多学科于一体的交叉学科,机器人是高科技产品化最形象的代表。哈工大的机器人研究一直是走在全国前列的,涉猎的机器人领域范围很广,基础很好。教育部“机器人机电一体化技术”创新团队落户哈工大后,哈工大的机器人研究面临着一个新的发展机遇和空间,希望这个创新团队能够充分整合校内机器人研究的各方面力量,为撑起中国机器人自主知识产权的一片蓝天做出更大的贡献。
  机器人研究所所长孙立宁教授:哈工大的特点在于整体队伍学科比较齐全,而且在工业应用跟企业结合比较密切,同时形成了几个有特色的研究方向,如空间机器人、网络机器人以及特种机器人等,包括以微机器人为代表的这几个研究方向在国内是领先的。自1986年以来,哈工大先后研制出的国内第一台弧焊机器人、喷漆机器人,这些都处于国际前沿的技术水平。在实际研究中机器人不一定像人,重要的是它要灵活、机动而不出故障。即使是这样,研究仿人机器人,依然是一个国家机器人研究水平的标志。
 
  后记:哈工大机器人家族喜“添丁”
 
  在记者发稿之后,近日喜讯传来,哈工大机器人家族又添新成员,由机器人研究所自主研发的几款机器人相继亮相,再次展示了哈工大机器人研究的最新成果。
  公共型家用保安机器人将赴长春“站岗值班”
  近日,哈工大机器人研究所研制的公共型家用保安机器人将赴长春工商银行站岗值班,进行“试用”。
  据李瑞峰博士介绍,这款集安保技术、移动机器人技术和信息技术为一体的公共型家用保安机器人,可以在展览中心、会议中心、大型百货商场、大型超市、重要仓库、银行、金银珠宝店、医院、政府公开职能部门、窗口单位、图书馆、博物馆、科技馆、影院、机场、海关、港口和社区家庭等场所进行安全监控、报警和巡视。
  在安保功能方面,该机器人具有红外线、温度、烟雾、可燃气体、门磁、摄像多路传感信息采集无线发送功能,在特殊场合(例如机场、海关、港口)通过应用特种传感器(爆炸物、毒品等)扩展工作范围,检测环境温度、湿度、火光、烟雾、可燃气体和非法入侵等。基于GSM的家用保安机器人远程监控单元,实现了基于短消息的无线报警,采用SMS短消息发送报警信息和系统设置。由于短消息方式简单、经济、方便,因此采用短消息远程更改家用机器人的设置,如使无线传感器处于设防/撤防状态。另外,由于短消息传输可靠性很高,即使手机关机,也能在开机后收到短消息,因此采用短消息发送报警信息,可以确保报警信息的安全送达。报警方式主要是通过短信方式通知主人报警内容,例如“煤气泄漏”、“有人入侵”等等。另外,该机器人还可以通过电子邮件报警(将报警内容通过电子邮件方式自动转发给主人)、声光报警(采用警铃声和强光进行吓阻)、本地录像(根据报警的功能需要可自主进行现场摄像、录像和无线传输到上一级监控中心、网络中心)等实现报警功能。基于INTERNET的控远程监控,用户可以通过网络对机器人的环境进行监视和全方位操作控制。
  在家用机器人功能方面,该机器人具有家庭娱乐、电子书、电话查询和电子邮件自动收发及语音、遥控和触摸屏控制的多种人机交互功能,可以根据室内规定路径巡视、自主巡逻避障。该机器人技术整体结构分为头部、壳体与底盘两部分。头部最顶端放置的是天线,用于接收无线信号;下面位置依次是照明灯和摄像头充当机器人的“眼睛”、红外传感器,头部可回转。壳体上部设有机器人的“耳朵”,下面是触摸屏,完成命令输入与状态显示。下层为机器人的底盘部分。本机器人采用轮式行走机构,两个驱动轮和一个万向轮,采用直流电机驱动语音命令经由MIC输入,响应语句经语音集成放大器后由喇叭输出,控制命令经串口通讯传输给主控制板,实现对机器人的语音控制。
  中国“爬壁反恐机器人”在哈工大诞生
  近日,一种专门应用于反恐领域的“爬壁机器人”在哈工大诞生。它可以携带侦查设备悄无声息地沿壁面爬到便于侦查的位置,为反恐人员准确判断形势、做出决断提供现场依据。
  据了解,我国公安等相关反恐部门对反恐爬壁机器人存在迫切需求,以往进口的爬壁机器人存在价格昂贵、噪声大、吸附不可靠等缺点。哈工大承担的“面向反恐侦查的微声爬壁机器人的研究”课题是国家“十五”“863”计划机器人技术主题某项目的子课题之一。课题难度大、任务重,由哈工大机器人研究所所长孙立宁教授和课题负责人李满天博士带领的由十几名研究人员、博士及工程人员组成的课题组经过一年多时间的高强度技术攻关,解决了多项技术难题,先后进行了近十种原理样机的研制,最终所研制的微声爬壁机器人各项指标均满足或超过了合同要求,并成功进行了工程样机转化,得到了有关部门的好评。
  该项研究成果日前在北京通过验收。据课题负责人李满天博士介绍,这种爬壁机器人采用负压吸附、单吸盘、四轮移动结构方式,具有移动快、吸附可靠、适应多种墙壁表面、噪声低、结构紧凑、控制方便灵活等特点,主要应用于反恐侦查领域。以反楼宇内人质劫持为例,犯罪分子隐藏在房间里,外面的反恐人员很难了解到房间内部的情况。这时,反恐人员可以为反恐爬壁机器人配备侦查设备,利用遥控装置控制其悄无声息地沿壁面爬到便于侦查的位置。爬壁机器人把用摄像机拍摄到的房间内部的图像,通过无线传输装置实时传到几百米外的移动基站,为反恐人员判断形势、做出决断提供现场依据。反恐爬壁机器人的应用,可以大大降低反恐行动的危险性,有效保障反恐人员的安全。必要时,爬壁机器人还可同时携带武器模块,在危急时进行攻击。
 
公用型保安机器人
 
反恐爬壁机器人